|
| ||
|
|
||
|
| ||
| учеба за рубежом; Экономичная теника: мини стиральные машины с вертикальной загрузкой 34см в рассрочку; Фирма "ПРАЗДНИК ЖИЗНИ" это организация детских праздников, http://www.prazdnik.ru. |
 |  |
Магнитные
материалы
В
этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:
12.1. Общие характеристики магнитных материалов.
Магнитные свойства имеются
у любых материалов. Они обусловлены реакцией материала на магнитное поле. Как
уже рассматривалось в третьей лекции, магнитную индукцию в любом материале можно
связать с напряженностью магнитного поля в нем
B
= m0×m×H
(12.1)
Глобально,
по отношению к магнитному полю, материалы
можно разделить на три класса - диамагнетики, парамагнетики,
ферромагнетики.
Последние можно еще поделить на собственно ферромагнетики,
антиферромагнетики и ферримагнетики.
Диамагнетики
имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются
из области магнитного поля.
Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее
количество материалов являются диа- и пара- магнетиками.
Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью,
доходящей до миллиона.
Для
ферромагнитных материалов выражение (12.1) справедливо с большими оговорками.
Оно верно для слабых магнитных полей. По мере усиления поля проявляется явление
гистерезиса, когда при увеличении напряженности и при последующем уменьшении напряженности
значения В(Н) не совпадают друг с другом. При этом выражение (12.1) имеет смысл
только для подъем напряженности в течение первого цикла намагничивания. В литературе
различают несколько определений магнитной проницаемости.
Начальная
магнитная проницаемостьmн
- значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля.
Максимальная
магнитная проницаемость mmax
- максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в
средних магнитных полях.
Из
других основных терминов, характеризующих магнитные материалы, отметим следующие.
Намагниченность
насыщения - максимальная намагниченность, которая достигается в сильных
полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля.
Петля
гистерезиса -
зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу:
подъем до определенного значения - уменьшение,
переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком
- рост и т.п.
Максимальная
петля гистерезиса-
достигающая максимальной намагниченности насыщения.
Остаточная индукция Bост-
индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности
магнитного поля.
Коэрцитивная
сила Нс - напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса
при которой достигается нулевая индукция.
При
каждом цикле перемагничивания часть магнитной энергии, запасаемой в материале
(W
= BH/2) теряется, т.е. переходит
в тепло. Эти потери называются потерями на перемагничивание и они пропорциональны
площади кривой гистерезиса. Для материалов, используемых в энергетике, в особенности
для трансформаторов, потери энергии желательно уменьшить, т.е. уменьшить площадь
кривой. Это может быть достигнуто, если коэрцитивная сила будет как можно меньше.
Материалы
с малой коэрцитивной силой, меньше 40 А/м называются магнитомягкими
материалами.
Мощность
потерь на перемагничивание в таких материалах можно оценить по выражению
PH
=h×
Bnmax×f×V
(12.2)
где
h
- коэффициент, зависящий от материала, Bmax-
максимальная индукция за цикл,
f-
частота, V
- объем тела, n,
- показатель, меняющийся в диапазоне от 1.6 до 2..
Другая
составляющая потерь связана с вихревыми токами, возникающими в переменных магнитных
полях.
PH=x×
B2max×f2×V
(12.3)
На
высоких частотах важны, в первую очередь, потери на вихревые токи, т.к. они пропорциональны
второй степени частоты.
Иногда
в справочниках приводят значения тангенса магнитных потерь. Физический смысл его
такой же, как и у тангенса угла диэлектрических потерь, а именно
P=
L×I2×
w×
tg dm
(12.4)
или
для удельных потерь
Pуд=
m0×m×H2
w×
tg dm
(12.5)
Материалы
с большой коэрцититивной силой (более 1000 А/м) называются магнитотвердыми
материалами. Они используются в качестве постоянных магнитов.
12.2. Виды магнитных материалов. Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. Электротехнические стали. Ферриты. Магнитодиэлектрики.
Магнитомягкие
материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в
трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.
Для
уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой,
а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и
используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции,
благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного
сечения контура. При рассечении площади n
изолированными пластинами в каждой
пластине наводится уменьшенная в n
раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату
напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение
ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным
сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.
Основой
наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая
электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от
0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей.
Максимальное значение магнитной проницаемости mmax~
4000, коэрцитивной
силы Нс~
65-100 А/м. Наблюдается интересная
закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная
проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры
составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.
Добавлением
в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м
для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает
уменьшение потерь.
Электротехническую
сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная,
2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой),
вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 - до 0.8%. 2 - до 1.8%, 3-до 2.8%,
4 - до 3.8%, 4 - до 4.8%), третья цифра - тип нормируемых магнитных характеристик
(0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50
Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f=50
Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400
Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в
старых справочниках означала номер материала. В современных справочниках четвертая
и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого
параметра.
Если
к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной
проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца).
Такие сплавы называются пермаллои, они используются
для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов.
Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя
к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.
Добавки
к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной
магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных
магнитных устройствах.
Практически
отсутствуют потери на вихревые токи в ферритах. Дело в том, что ферриты
представляют собой оксидную керамику МеО+Fe2O3,
которая является диэлектриком, либо полупроводником. Типичное удельное сопротивление
феррита 103-104 Ом.м. Это на 9-10 порядков превышает сопротивление
металлов. Ясно, что вихревые токи в таком материале не возникнут.
Магнитная проницаемость у ферритов обычно ниже, чем у стали и не превышает
нескольких сотен, хотя есть ферриты с проницаемостью до нескольких тысяч (20000НМ,
1000НМ). Применение в энергетике магнитомягких ферритов - высокочастотные трансформаторы,
в ряде материалов потери малы вплоть до частот гигагерцового диапазона. Однако
при этом и магнитная проницаемость уменьшается до десятков (9ВЧ, 50ВЧ3).
Большую
роль играют ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Они используются
в качестве логических элементов в ЗУ, в качестве термодатчиков. Основной параметр
- коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, представляющий собой отношение
остаточной индукции к максимальной, измеренной при Н = 5 Нс. Желательно,
чтобы этот коэффициент был ближе к 1.