УМК

Электроэнергетический факультет
Кафедра электроснабжения и
эксплуатации электрооборудования
Учебная дисциплина
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ
ТЕМА № 5
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, 2012. – 196с.
2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В.
Электротехнические материалы: Пособие.
СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с.
3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение:
Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ,
АГРУС, 2012. – 196с.
4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред.
Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат
Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 –
728с.
Введение
1.
2.
3.
•
•
•
•
•
Три группы магнитных материалов:
магнитомягкие;
магнитотвердые;
специализированные.
1. ММ обладают:
малой силой коэрцитивной НС;
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 НС и перемагничиваются
только в сильных магнитных полях.
Применение. Постоянные магниты ЭУ.
У магнитомягких материалов коэрцитивная
сила НС < 800А/м, а у магнитотвердых - НС >
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 ЭГ за один период изменения
поля постоянна (в широком диапазоне частот), то
энергия ЭТ 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 0,05 - 1мм.
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 20000 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 Т0С (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 Э0 в
рабочем зазоре:
Э0 = (B0 H0 / 2) V0
где V0 - объем зазора (V0 ≈ l 0 S0 ).
(4)
При значениях BD и HD энергия достигает
максимального значения:
ЭD = BD HD / 2 = Эd макс
Энергия ЭD дает рабочую точку на кривой
размагничивания с наилучшими параметрами
магнита (площадь прямоугольника при значениях
BD и HD ).
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 металлопластических 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%.