Магнитомягкие материалы

2.3.1. Требования к магнитомягким материалам

Магнитомягкие материалы характеризуются способностью намагни­чиваться до насыщения в слабых полях и малыми потерями на перемагничивание. К ним предъявляются следующие требования:

1. Узкая петля гистерезиса, т.е. малое значение коэрцитивной силы Н_c и большая величина магнитной проницаемости m;

2. Большая индукция насыщения В_s, т.е. при заданной площади поперечного сечения магнитопровода должно обеспечиваться прохожде­ние максимального потока;

3. Минимальные потери мощности при работе в переменных полях, так как потери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимого значения.

Материалы, отвечающие перечисленным требованиям, обеспечивают высокий энергетический КПД и необходимую рабочую индукцию при за­данной температуре перегрева, что позволяет уменьшить габариты имассу устройств.

2.3.2. Классификация магнитомягких материалов

Виды магнитомягких материалов представлены на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Классификация магнитомягких материалов

2.3.3. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей

Основные параметры низкочастотных магнитомягких материалов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Основные параметры НЧ магнитомягких материалов.

Материал	Магнитная проницаемость	Hc, А/м	Bδ, Тл	ρ, мкОм·м
mнач	mmax
1. Монокристалл чистейшего Fe 2.Низкоуглеродистая сталь 3.Электролитическое Fe 4. Карбонильное Fe   5. Кремнистая сталь 6. Пермаллои: низконикелевый высоконикелевый супермаллой 7. Аморфные сплавы: 80% Fe, 20% B 80% Fe, 16% P	250-400     2000-3000   200-600   1500-4000 7000-100000   десятки тысяч	3000-5000     20000-21500   3000-8000   15000-60000 50000-300000 600000-1500000   сотни тысяч	0,8   32-95     6,4   10-65   5-32 0,65-0,5 0,3   3,2 4,0	–   2,18   2,18   2,18   1,95-2,02   1-1,6 0,65-1 0,79   1,6 1,49	0,097   0,1   0,1   0,1   0,25-0,6   0,45-0,9 0,16-0,9 0,6   1,4 1,5

Частотный диапазон применения ММ в значительной степени опре­деляется их удельным электрическим сопротивлением. При низком ρвелики потери на вихревые токи, а значит и потери на перемагничивание, возраставшее с увеличением частоты, поэтому, чем больше ρ ММ, тем на более высоких частотах он может использоваться. В пос­тоянных и НЧ (до единиц кГц) полях применяют металлические магнит­ные материалы: технически чистое Fe, кремнистые электротехнические стали, пермаллои, альсиферы, аморфные сплавы (рис.2.5, табл. 2.1).

Технически чистое Fe - это железо, содержащее ограниченное число примесей (прежде всего углерода, кислорода и серы), которые оказывает особенно сильное влияние на магнитную проницаемость.

Широко применяются следующие виды технически чистого Fe: низкоуглеродистая электротехническая сталь, полученная после горячей или холодной прокатки; электролитическое железо; карбонильное же­лезо, полученное путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное Fe, изготавливаемое в виде порошка, применяют в ка­честве ферромагнитной среды магнитодиэлектриков.

Рассматривая перспективы повышения качества железа, следует отметить, что главнейшая характеристика Fe - B_δ, обусловленная ве­личинами атомных магнитных моментов и обменным взаимодействием, не может быть увеличена. Рост mв слабых и сильных полях и уменьшение Н_c можно достичь для Fe с меньшей концентрацией примесей и де­фектов (для сравнения в табл.2.1 приведены параметры полученного в лабораторных условиях монокристалла чистейшего железа).

Кремнистые электротехнические стели - это твердый раствор Si в Fe. Легирование технически чистого Fe кремнием позволяет значи­тельно повысить удельное сопротивление. Выпускаются электротехни­ческие стали различной степени легирования (увеличение параметра или усиление свойства в зависимости от степени легирования показа­но стрелками):

ρ

m_н m_m

H_c

B_δ

хрупкость, твердость

- слаболегированные (0,8-1,8% Si),

- среднелегированные (1,8-2,8% Si),

- повышеннолегированные (2,8-3,8% Si),

- высоколегированные (3,8-4,8% Si),

Значительного улучшения магнитных свойств кремнистых сталей удалось достичь путем образования магнитной текстуры при холодной прокатке с последующим отжигом. В результате получают текстурованную кремнистую сталь, у которой элементарные кристаллические ячей­ки ориентированы так, что ребра кубов - осей легкого намагничива­ния - расположены параллельно направлению прокатки. Такую текстуру называют ребровой. Применение сталей, обладающих магнитной анизот­ропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой маг­нитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. В стали с кубической текстурой наилучшие магнитные свойстве обеспечиваются при прохождении магнитно­го потока вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки.

Пермаллои - это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшую магнитную проницаемость в слабых полях. Поэтому они применяются в РЭА, когда нужно иметь значительные как постоянные, так и перемен­ные магнитные потоки при малых напряженностях поля, что особенно важно в связи с миниатюризацией РЭА (на частотах до нескольких де­сятков кГц). В табл. 2.1 приведены параметры низконикелевых (40-50% Ni), высоконикелевых (72-80% Ni) пермаллоев и супермаллоя (79% N1, 15% Fe, 5% Mn, 0,5% Mn).

Наряду с основными достоинствами - высоким значением m_н и ма­лым значением H_c - пермаллоям присущи следующие недостатки:

- большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальной защиты;

- высокие магнитные свойства получают лишь в результате отжига готовых изделий после их механической обработки;

- пониженные значения B_δ;

- сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельных ком­понентов (прежде всего никеля).

В качестве заменителя пермаллоев был разработан тройной сплав альсифер, оптимальный состав которого 9,6% Si,5,4% Al, остальное Fe. Этот сплав при точном соблюдении состава в лабораторных усло­виях имеет m_н=35400, у промышленного альсифера m_н=6000-7000. Альсифер применяют в основном в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Магнитомягкие аморфные сплавы, называемые металлостеклами или метглассами, содержат один или несколько переходных металлов - Fe, Со, Ni - в количестве 75-85% и стеклообразователь – В, С, Si, P - в количестве 15-20%, а также легирующие металлы Сг, V, Мn и др.

Аморфные сплавы (см. также п.1.9.1, рис.1.11) формируются в результате такой высокой скорости охлаждения жидкостей, при кото­рой частицы не успевают выстроиться в правильную кристаллическую структуру. Поэтому их получают быстрой закалкой расплавов ("выст­реливанием" раскаленного расплава на перемещающуюся холодную под­ложку). Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоев близки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряже­ний, обладают высокой коррозионной стойкостью, прозрачностью и твердостью при сохранении пластичности. Аморфные сплавы весьма перспективны, из них изготавливают небольшие трансформаторы, маг­нитофонные головки и др.

2.3.4. Высококачественные магнитомягкие материалы

Для работы на высоких (от единиц до десятков мегагерц) частотах используются материалы, по своим электрическим свойствам относящиеся кдиэлектрикам и полупроводникам - магнитодиэлектрики и ферриты. Например, величина удельного электрического сопротивления ρферритов в 10⁶ – 10¹¹ раз выше ρ стали, следовательно, ферриты имеют относительно малые потери энергии при повышенных и высоких частотах.

Магнитодиэлектрики - это композиционные ма­териалы из мелкодисперсного порошка низкокоэрцитивного металличес­кого ферромагнетика, частицы которого изолированы друг от друга и механически связаны в единое целое органическими и неорганическими диэлектриками. Исходными ферромагнетиками являются карбонильное железо, пермаллои, алъсиферы (см. п.2.3.3.), а в качестве изолирую­щего состава, занимающего по объему 5-10%, используется полисти­рол, жидкое стекло, стеклоэмали. Изделия из магнитодиэлектриков изготавливаются по технологии пластмасс.

Магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением, малым tgδ магнитных потерь, начальная магнитная проницаемость со­ставляет 10-250, предельная частота - 250 МГц. К их достоинствам относятся высокая температурная стабильность (mпостоянна в широком диапазоне температур), стабильность параметров при механичес­ких воздействиях, а кнедостаткам - невозможность с помощью внешнего поля управлять магнитными параметрами материала.

Магнитодиэлектрики в основном используются в качестве сердеч­ников катушек индуктивностей, дросселей, трансформаторов, радио­частотных контуров РЭА.

Ферриты – это магнитные материалы на основе оксидов ме­таллов, обладающие ферримагнитными свойствами. Магнитомягкие фер­риты - моно- и поликристаллические материалы со значением коэрци­тивной силы не более 4 кА/м.. Промышленные магнитомягкие ферриты - в основном поликристаллические материалы, синтезируемые покерами­ческой технология, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферритизацию смеси (т.е. образование феррита из оксидов), формование изделий и их последующее спекание.

Наибольшее распространение получили две группы ферритов:

- марганец-цинковые (Mn-Zn) ферриты - твердые растворы феррита марганца MnFe₂O₄ и феррита цинка ZnFe₂O₄;

- никель-цинковые (Ni-Zn) ферриты – твердые растворы феррита никеля NiFe₂O₄ и феррита цинка ZnFe₂O₄. Также применяются литий-цинковые, свинцово-никелевые и другие ферриты.

Обычно ферриты используются в слабых исредних полях, так как они имеют относительно низкую индукцию насыщения (0,15-0,7 Тл ). Ряд марок Mn-Zn ферритов с высокой начальной проницаемостью применяется при частотах до нескольких сотен кГц как в слабых, так и в сильных полях.

Тангенс угла магнитных потерь tg δ ферритов имеет значения 0,005-0,1. В области очень слабых полей потери в основном опреде­ляются дополнительными потерями на последействие, так как составляющие потерь на вихревые токи и на гистерезис в ферритах малы, но в слабых и сильных полях эти составляющие возрастают. При повышении частоты tg δ, начиная с некоторой определенной для каждого феррита частоты, значительно возрастает и одновременно уменьшается, что обусловлено главным образом релаксационными явлениями (рис. 2.6).

Для ферритов вводится параметр, называемый критической частотой. f_кр - частота магнитного поля, при которой tg δ = O,l (рис.2.6). Для НЧ марганец-цинковых к никель-цинковых ферритов f_кр = 0,01-30 МГц, для ВЧ никель-цинковых ферритов f_кр = 25-250 МГц. Установлено, что чем выше значение m_н, тем меньше f_кр.

Рис. 2.6. Типичные зависимости начальной магнитной проницаемости и tg δ от частоты двух ферритов с различными значениями m_н.

Свойства ферритов сильно зависят от температуры, особенно по сравнению с магнитодиэлектриками (рис.2.7), что связано с относи­тельно высокой точкой Кюри некоторых ферритов, а при температуре ниже точки Кюри, но близких к ней, магнитная проницаемость идругие свойства значительно изменяются. Для уменьшения ТКm в ферриты вводят небольшие добавки некоторых веществ (например, CoO), благоприятно действующих на их температурные свойства.

Рис. 2.7. Зависимость m_н образцов Mn-Zn ферритов от температуры.

На рис.2.8 указаны ориентировочные значения магнитной прони­цаемости и частотный диапазон применения ферритов различного сос­тава. Из рисунка видно, что в ВЧ-части спектра радиочастот приме­няют ферриты с mв десятки единиц.

Рис. 2.8. Зависимость m от частоты для ферритов различного состава.

В табл. 2.2 приведены параметры некоторых марок ферритов обще­го применения. Маркировка магнитомягких ферритов: первые цифра - значение начальной магнитной проницаемости, затем идут буквы, обозначающие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху f_пр. Ферриты для звуковых, ультразвуковых инизких частот обознача­ются буквой Н (низкочастотные), высокочастотные - буквой В. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав: М - Mn-Zn, Н - Ni-Zn.

Таблица 2.2.

Параметры некоторых магнитомягких ферритов общего применения.

Марка	Тк, °С	mн	mmax	ТКm·10^6к^-1 при 20-125 °С	fкр, МГц при tg δ = 0,1	ρ, Ом·м
20000 НМ 6000 НМ 2000 НМ 2000 НН 600 НН 150 ВН 50 ВН 7 ВН		15000-25000 4800-8000 1700-2500 1800-2400 500-800 130-170 40-60 6-8		-0,5…+0,75 – -1,0…+3,5 -0,6…+4,5 – – 0…10,0 -14,0…+70	0,005 0,005 0,5 0,6 1,5	<0,01 0,1 0,5 0,5

Рассмотренные группы ферритов используют для изготовления сердечников различной конфигурации и размеров для трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров, магнитных антенн, статоров и рото­ров ВЧ-микродвигателей, деталей отклоняющих систем ТВ аппаратуры.

Свойства ферритов зависят от механических напряжений которые могут возникнуть при плотной обмотке, креплении изделия, поэтому ихнеобходимо оберегать от механических нагрузок.

---

Дата добавления: 2015-10-21