Предельные значения удельных потерь и магнитной индукции кремнистой электротехнической стали класса 3

Марка	Толщина, мм	Удельные потери, Вт/кг, не более	Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м, не менее
Л,0/50	Л, 5/50	,7/50
	0,50	1,10	2,45	3,20	_	_	1,75
	0,35	0,80	1,75	2,50	—	—	1,75
	0,50	0,70	1,50	2,20	1,60	1,70	1,88 1,88
	0,35	0,50	1,10	1,60	1,60	1,70
	0,35	0,46	1,03	1,50	1,61	1,71	1,90

Пермаллои

Пермаллои — это сплавы железа с никелем (Fe—Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe—Ni—Со) и железа с кобальтом (Fe—Со). Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой

16¹/**
коэрцитивной силой. При определенном химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропи­ей и малой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем допол­нительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ва­надием и др. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям, но снижают индукцию насыщения. Медь повышает температурную стабильность и удельное сопротив­ление, а также стабильность магнитной проницаемости при измене­нии напряженности магнитного поля в узком интервале. Сплавы, легированные медью, кроме того, лучше поддаются механической обработке. Кремний и молибден увеличивают только удельное со­противление. Недостатки пермаллоев — высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные зна­чения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механи­ческой обработки и относительно высокая стоимость.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. На их свойства отрицательно влияют примеси, не образующие твердых растворов (углерод, кислород, сера, фосфор). Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки. Для снятия механических напряже­ний, сильно ухудшающих магнитные свойства, все магнитные изде­лия из пермаллоя подвергают специальной термической обработ­ке — отжигу при температуре 1300 °С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при 400—500 °С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побе­жалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтов­ке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Сплавы изго­тавливают в виде холоднокатаных лент толщиной 0,005—2,5 мм, хо­лоднокатаных листов 0,2—2,5 мм, горячекатаных листов 3—22 мм, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8—100 мм, холоднока­таной проволоки диаметром 0,05—5,0 мм. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. Термо­обработке подвергают, как указывалось выше, готовые магнитные изделия.

Зависимость основных магнитных свойств и удельного сопротив­ления железоникелевых сплавов от содержания никеля представлена на рис. 15.1. Сплавы с содержанием никеля 70—80% имеют наиболь­шие значения начальной и максимальной магнитной проницаемо­стью; их называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержа­нием никеля 78,5% — классическим пермаллоем. Второй, меньший по

Д Тл В_х

1,2 0,8 0,4

-0 6 -0,4 -0,2

-0,4

40 60 Ni, %

0,2 0,4 Я10"², А/м

-0,8

-1,2

Рис. 15.2. Петля гистерезиса железо- никелевого сплава 65 НП

Рис. 15.1. Зависимость магнитных свойств и удельного сопротивления железоникелевых сплавов от содержа­ния никеля

величине, максимум |х_н и |х_м наблюдается у сплавов при содержании Ni 40—50%, их называют низконикелевыми пермаллоями.

У высоконикелевых пермаллоев магнитная проницаемость в не­сколько раз выше, чем у низконикелевых, и в десятки раз больше, чем у электротехнических сталей (см. табл. 15.1). Индукция насыще­ния у них в 1,5 меньше, чем у низконикелевых пермаллоев, и при­мерно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей. Из этого следует, что высоконикелевые пермаллои нецелесообразно приме­нять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройствах, в которых требуется создание мощного магнит­ного потока. Высоконикелевые пермаллои применяют для изготов­ления сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, работающих в слабых магнитных полях, головок аппаратуры магнитной записи, в качестве магнитных экранов. В виде ленты тол-

17-Колесов
щиной 0,05 мм и менее высоконикелевые пермаллои используют в импульсных трансформаторах, магнитных пускателях и т.д.

У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопро­тивление в 3 раза больше, чем у высоконикелевых. Они обладают не очень высокой магнитной проницаемостью, но более высокой ин­дукцией насыщения. Кроме того, магнитная проницаемость низко­никелевых пермаллоев с увеличением частоты, начиная с /_кр, сильно снижается и тем резче, чем больше первоначальное значение щ (см. рис. 14.11). Поэтому низконикелевые пермаллои предпочтительно использовать в силовой аппаратуре и при повышенных частотах. Их применяют для магнитопроводов малогабаритных силовых транс­форматоров, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высоких индукций (высоких значений Н).

Магнитные свойства магнитных изделий в переменных и им­пульсных полях существенно зависят от сопротивления электриче­ской изоляции, покрывающей их поверхности. Электроизоляцион­ное покрытие должно быть однородным, сплошным, с достаточно высоким удельным сопротивлением и быть термически стойким при температуре отжига в глубоком вакууме или в водороде. В качестве такого покрытия применяют оксиды MgO или А1₂0₃.

Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе. Первая цифра указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, X, С, Ф — соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце маркировки означают соответст­венно прямоугольную петлю гистерезиса (BJB_S> 0,85; рис. 15.2), сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом. Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30— 0,60%) и кремний (0,15—0,30%).

Все марки железоникелевых сплавов подразделяют на четыре группы:

1. Нелегированные низконикелевые сплавы 45Н и 50Н с содер­жанием никеля 45 и 50% соответственно, остальное — железо.

2. Сплавы 50НП, 65НП, 34НКМП — обладают магнитной тек­стурой и прямоугольной петлей гистерезиса, с содержанием никеля 50, 65 и 34% соответственно; П — означает прямоугольную петлю гистерезиса, К и М — легирующие добавки кобальта и молибдена.

3. Низконикелевый пермаллой 50НХС с содержанием никеля 50% и легированный хромом и кремнием.

4. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью.

Сплавы группы 1 обладают высокой р, и наивысшим значением B_s по сравнению со всеми железоникелевыми сплавами; рекомендова­ны в качестве сердечников малогабаритных силовых трансформато­ров, дросселей, реле и других деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 2 обладают прямоугольной петлей гистерезиса; применяются в виде сердечников при частотах в несколько кило­
герц, а сердечники микронного проката — в переключающих уст­ройствах с рабочей частотой в сотни килогерц и работающих в ши­роком температурном диапазоне.

Сплав группы 3 обладает повышенной |х и высоким удельным сопротивлением; рекомендован для сердечников импульсных транс­форматоров и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, рабо­тающих без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 4 имеют высокую \i в слабых полях, а сплав 76НХД обладает к тому же повышенной температурной стабильно­стью в интервале от —60 до +60 °С; эти сплавы рекомендованы для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Кроме рассмотренных девяти марок пермаллоев, выпускаемых в соответствии с ГОСТами, применяют и другие марки железоникеле- вых, железоникелькобальтовых и железокобальтовых сплавов.

Сплавы на железокобальтовой основе обладают наиболее высокой индукцией магнитного насыщения (B_s до 2,4 Тл), температурой Кюри (Т_к до 1050 °С) и магнитострикцией (X_s до 110~⁴). Применяют­ся для изготовления магнитопроводов, полюсных наконечников и сердечников электромагнитов, соленоидов, силовых трансформато­ров, магнитных усилителей, ультразвуковых генераторов и преобра­зователей, роторов и статоров электрических машин, телефонных мембран и т. д. Сплавы 27КХ и 48КНФ применяют преимущест­венно в электрических машинах. Сплавы 49КФ, 49К2Ф универсаль­ного назначения. Сплав 92К предназначен для всех магнитопрово­дов, работающих при температурах от -273 до +1000 °С. Из-за высокого содержания кобальта эти сплавы более дорогие, чем другие пермаллои.

Альсиферы

Альсиферы — это сплавы из алюминия, кремния и железа (Al—Si—Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемость альсиферы имеют в очень узком концентрационном интервале А1 и Si. Сплав оптимального состава содержит: Si 9,6%, Al 5,4%, остальное Fe.

Магнитные свойства альсифера с оптимальным составом приве­дены в табл. 15.1, из которой видно, что они не уступают магнитным свойствам пермаллоев. Магнитная анизотрония и константа магни­тострикции у альсиферов близки к нулю. Однако максимум магнит­ных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промыш­ленные образцы имеют более низкие значения магнитных свойств, чем альсифер оптимального состава (у отожженных образцов |х_н = 6000—7000). Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, вследствие чего толщина изделий из альсифе­ра (например, магнитные экраны) должна быть не менее 2—3 мм. Из-за низкого удельного сопротивления изделия из этого материала

17*
не используют в цепях переменного тока даже при частоте 50 Гц. Альсиферы хорошо размалываются в порошок, который, как карбо­нильное железо, используется в качестве ферромагнитной фазы в матнитодиэлектриках.

15.1.2. Высокочастотные магнитные материалы

С увеличением частоты в диапазоне от звуковых частот до СВЧ включительно потери на вихревые токи настолько сильно возраста­ют, что применение магнитомягких материалов, рассмотренных в гл. 15.1.1, становится неэффективным, а часто и невозможным. Исклю­чение составляют тонколистовые рулонные холоднокатаные элек­тротехнические стали толщиной 25—30 мкм и пермаллои толщиной 2—3 мкм, которые можно использовать при звуковых, ультразвуко­вых и низких радиочастотах. Однако эти материалы имеют несколь­ко повышенную коэрцитивную силу, высокую стоимость и сложную технологию получения из них магнитных изделий. Потери на вихре­вые токи можно снизить путем увеличения электрического сопро­тивления материала и уменьшения его индукции. Материалами, ко­торые обладают высоким электрическим сопротивлением и малым значением магнитной индукции, являются магнитодиэлектрики и ферриты.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики — это фактически высокочастотные маг­нитные пластмассы, в которых наполнителем является ферромагне­тик, а связующим — электроизоляционный материал органический (например, фенолоформальдегидная смола, полистирол) или неорга­нический (например, жидкое стекло).

В магнитодиэлектриках частицы ферромагнетика разделены друг от друга сплошной пленкой из электроизоляционного материа­ла, образующего непрерывную фазу-матрицу с высоким электриче­ским сопротивлением, являющуюся одновременно механическим связующим. Благодаря тому что частицы ферромагнетика (их размер d ~ 10~⁴—10~⁶ м) электроизолированы друг от друга, потери на вихре­вые токи малы. Малы также потери на гистерезис. Поэтому основ­ным видом потерь становятся потери на магнитное последействие, которые превышают остальные виды потерь в 10—30 раз. Суммарная мощность потерь Р складывается из потерь на гистерезис Р_г, вихре­вые токи Р_вт, магнитное последействие Р_мп и диэлектрические потери в электроизоляционном материале Р_д:

Р = Р_Г + Р_ВТ + Р_МП + Р_Д. (15.2)

Величина мощности потерь в магнитодиэлектриках зависит в значительной мере от размера частиц ферромагнетика и характера изоляции.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика р_мд всегда мень­ше р, ферромагнетика, составляющего его основу, и вычисляется по формуле

(15.3)

где р, — магнитная проницаемость исходного ферромагнетика; V — относительный объем, занимаемый электроизоляционным материа­лом.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков имеет невысо­кое значение (см. табл. 15.1), но мало зависит от частоты. Преиму­щество магнитодиэлектриков перед ферритами заключается в том, что они обладают более высокой стабильностью магнитных свойств и изделия из них получают более высоких классов геометрической точности и степени шероховатости поверхности. Однако по ряду электромагнитных параметров магнитодиэлектрики уступают ферри­там, поэтому применение их постепенно сокращается.

Наиболее широко применяются магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя, имеющих рабочую частоту соответственно не более примерно 100, 0,1 и 0,7 МГц. Для придания молибденовому пермаллою хрупкости и возможности получать из него порошки, в него в процессе выплавки вводят небольшое количество серы.

Дата добавления: 2015-08-09