На головну

Тема 5.1 Основні характеристики магнітних матеріалів

  1.  Cтруктура механічної частини приводу Механічні характеристики двигуна і виконавчого органу
  2.  I. Виділення сильномагнітних фракцій сухим методом
  3.  I. Основні проблеми народонаселення Росії
  4.  I. Схема характеристики.
  5.  II. Основні завдання Гостехкомиссии Росії
  6.  II. Основні правила ведення бухгалтерського обліку
  7.  II. Основні принципи

Матеріали, які під дією зовнішнього магнітного поля намагнічуються, т. Е. Набувають особливі магнітні властивості, називають магнітними.

Основними магнітними матеріалами є залізо, нікель, кобальт і різні сплави на основі технічно чистого заліза. Властивості магнітних матеріалів оцінюються магнітними характеристиками:

1) Магнітна проникність (відносна магнітна проникність) ?r є безрозмірною величиною і входить у вираз абсолютної магнітної проникності (Гн / м):

де ?о - магнітна постійна, рівна 1,256637 · 10-6 Гн / м.

Магнітна проникність визначає здатність матеріалу до намагнічування: чим вона більше, тим легше намагничивается матеріал і, навпаки, чим вона менша, тим в меншій мірі матеріал може бути
 намагнічений.

Всякий магнітний матеріал володіє магнітними властивостями тільки до певної температури - температури Кюрі ?К, після досягнення якої магнітні властивості у матеріалу зникають, т. Е. Він не може бути намагнічений. Це обумовлено дезорієнтацією внутрішніх областей (доменів) намагнічування через інтенсивне теплового руху атомів і молекул матеріалу.

2) Індукцією насичення Bs визначаються властивості магнітного матеріалу, поведінка якого в магнітному полі характеризується початкової кривої намагнічування (рис. 42).

 
 

Малюнок 42 Початкова крива намагнічування (1) і петля гістерезису (2)

Ця крива показує зміну магнітної індукції В магнітного матеріалу в залежності від напруженості Н: спочатку магнітна індукція зростає, потім її зростання сповільнюється, а після досягнення індукції В вона залишається постійною. При цьому говорять, що магнітний матеріал досяг насичення, а
 індукцію В називають індукцією насичення. Чим більше Bs, тим вище властивості магнітного матеріалу. Одиницею виміру магнітної індукції є тесла (Тл).

3) Залишкова магнітна індукція Вr і коерцитивної сила Нс також характеризують властивості магнітних матеріалів. Якщо зразок магнітного матеріалу намагнічувати, безперервно підвищуючи напруженість магнітного поля Н, то магнітна індукція В теж буде безперервно зростати по кривій намагнічування. Ця крива починається в точці О і закінчується в точці, що відповідає індукції насичення Bs.

При зменшенні напруженості Н магнітна індукція також буде зменшуватися, але починаючи з Вм її значення не будуть збігатися зі значеннями цієї характеристики на початковій кривій намагнічування, і, коли напруженість магнітного поля дорівнюватиме нулю, в зразку магнітного матеріалу буде виявлятися залишкова магнітна індукція Вr.

Для розмагнічування зразка треба, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрямок на протилежне (- Н). Напруженість поля Hs, при якій індукція стане рівною нулю, називають коерцитивної силою.

Якщо після цього зразок магнітного матеріалу почати намагнічувати в протилежному напрямку, то знову буде спостерігатися індукція насичення (-Bs). При подальшому зменшенні напруженості магнітного поля до Н = 0 і новому намагничивании в первісному напрямку індукція буде безперервно збільшуватися до індукції насичення Bs.
 В результаті утворюється замкнута петля, яку називають граничною або статичної петлею гистерезиса. Граничну петлю гістерезису знімають при повільному зміні постійного магнітного поля від + Н до Н, коли магнітна індукція стає рівною індукції насичення Bs.

4) Коефіцієнт прямокутності ?п, що характеризує ступінь прямоугольности граничної петлі гістерезису, розраховують за формулою:

Чим більше ?п, тим більше прямокутна петля гистерезиса.

При впливі на матеріал змінного магнітного поля отримують динамічну криву намагнічування і динамічну петлю гістерезису. Відношення значення індукції до значення магнітного поля на динамічної кривої представляє собою 5) динамічну магнітну
 проникність:

При низьких частотах і малій товщині магнітного матеріалу динамічна крива намагнічування збігається зі статичної. При цьому значення динамічної магнітної проникності практично збігаються зі значеннями проникності, обчисленими по статичної кривої намагнічування. Динамічна петля гистерезиса має трохи більшу площу, ніж статична, так як при впливі змінного магнітного поля в матеріалі крім втрат на гістерезис виникають втрати на вихрові струми і магнітне післядія.

Втрати енергії на вихрові струми Рм залежать від питомої електричного опору ? магнітного матеріалу: чим воно більше, тим менше втрати на вихрові струми.

6) Питома об'ємна енергія W - це енергія, створювана постійним магнітом в повітряному зазорі (між його полюсами), віднесена до одиниці
 його обсягу (Дж / м3).

Магнітної характеристикою матеріалу є максимальна об'ємна енергія (Дж / м3):

де Bd і Hd - індукція і відповідна максимальної питомої об'ємної енергії напруженість магнітного поля.

Згідно поведінки в магнітному полі магнітні матеріали ділять на магнитомягкие і магнітотверді.

Магнитомягкие матеріали володіють великою початковою і максимальної магнітної проникністю і малої коерцитивної силою. Ці матеріали легко намагнічуються і розмагнічуються і відрізняються малими втратами на гістерезис, т. Е. Їм відповідає вузька петля гістерезису.

Чим менше різних домішок в магнітомягкого матеріалі, тим вище його характеристики, т. Е. Тим більше ?н і ?м і тим менше Нс і втрати на гістерезис. Тому при виробництві магнитомягких матеріалів прагнуть
 видалити з них найбільш шкідливі домішки - вуглець С, фосфор Р, сірку S, кисень О2, азот N2 і різні оксиди. Одночасно намагаються не спотворювати кристалічну структуру матеріалу і не викликати в ньому

внутрішніх напружень. Магнитомягкие матеріали використовують для виготовлення сердечників електричних машин, трансформаторів, реле та інших електричних апаратів.

Магнітотверді матеріали володіють великими коерцитивної силою і залишковою індукцією і відповідно мають широку петлю гістерезису. Ці матеріали намагнічуються з великими труднощами, а будучи намагнічені можуть кілька років зберігати магнітну енергію, т. Е. Бути джерелами постійного магнітного поля. Магнітотверді матеріали застосовують головним чином для виготовлення постійних магнітів.

По складу всі магнітні матеріали діляться на металеві і неметалеві. До металевих відносять чисті метали (залізо, кобальт, нікель) і магнітні сплави деяких металів, а до неметалічних - ферити.

«Металеві магнитомягкие матеріали»

Основними металевими магнитомягкими матеріалами, застосовуваними в електротехніці, є пермаллои, альсифера і низьковуглецеві кремнієві стали.

пермаллои - пластичні железонікелевие сплави вмістом нікелю від 36 до 80%. Для поліпшення тих чи інших властивостей в них вводять молібден, хром або мідь, отримуючи леговані пермаллои. Пермаллои, що містять 36-50% нікелю, називаються нізконікелевие, а 60-80% - високо.

Все пермаллои відрізняються високими магнітними характеристиками, що забезпечується не тільки їх складом і хімічною чистотою, а також
 спеціальної теплової обробкою. При цьому сплав нагрівають зі швидкістю 400-500 ° С в годину, витримують при 1000-1150 ° С протягом 3-6 год, потім охолоджують зі швидкістю 100-200 ° С в годину до кімнатної температури. Деяким пермаллоев необхідний повторний нагрів до 600 ° С і швидке охолодження зі швидкістю 150 ° С в хвилину. Найкращі магнітні властивості мають пермаллои, отжигать в вакуумі.

Все пермаллои чутливі до механічних деформацій, наклепу при штампуванні та інших механічних впливів. Тому деталі з пермаллоя, отримані цими способами, піддають додатковій тепловій обробці - відпалу (за певним режиму).

Пермаллои поставляють у вигляді стрічок товщиною 0,002-1,5 мм, листів товщиною 1-2,5 мм і прутків діаметром 8-60 мм і більше. Нізконікелевие пермаллои застосовують для виготовлення сердечників дроселів, малогабаритних трансформаторів і магнітних підсилювачів, а високо - деталей апаратури, що працюють на частотах трохи вище звукових.

альсифераявляють собою нековким тендітні сплави, що складаються з 5,5-13% алюмінію, 9-10% кремнію, інше - залізо. Альсифера призначалися для заміни дорогих пермаллоев, але вдалося це зробити в
 порівняно обмеженою області їх застосування. З альсифера виготовляють литі сердечники, що працюють в діапазоні частот не більше 20 кГц, так як на більш високих частотах в них виникають великі втрати
 на вихрові струми. Крім того, з альсифера відливають порожні деталі з товщиною стінок не менше 2 мм.

Трансформаторні стали.Електротехнічні крем'янисті стали представляють собою низьковуглецевих сталі (0,04%), в які вводять від 0,8 до 4,8% кремнію для поліпшення магнітних властивостей. Кремній, що знаходиться в стали в розчиненому стані, реагує з закисом заліза FeO. При цьому
 зі сталі виділяється чисте залізо і утворюється кремнезем 2FeO + Si > 2Fe + Si02.

Кремнезем підвищує питомий опір стали, що знижує втрати на вихрові струми. Кремній також сприяє росту кристалів заліза, що
 підвищує рівень магнітних характеристик стали. Введення великих кількостей кремнію в сталь покращує всі магнітні властивості, але викликає її підвищену крихкість, яка виключає виготовлення з неї штампованих деталей. Тому вводять кремній в сталь в кількості, що не перевищує 4,8%.

Листи кременистої стали виготовляють прокаткою заготовок в нагрітому або не нагріте стані. Відповідно до цього розрізняють гарячекатану і холоднокатану кременисту сталь.

Як відомо, залізо має кубічну структуру кристалів і намагничивается найбільш інтенсивно, коли напрямок магнітного поля збігається з напрямком ребра куба кристала. Тому для поліпшення

магнітних властивостей листи електротехнічної сталі прокочують в холодному стані в одному і тому ж напрямку, після чого отжигают в атмосфері водню при 900 ° С.

При прокатці аркушів стали в одному і тому ж напрямку кристали заліза орієнтовані переважно в напрямі прокатки. При подальшому відпалі листів стали з матеріалу видаляються домішки,
 знижують його магнітні властивості (вуглець, кисень). Крім того, при відпалі деформовані прокаткою кристали заліза приймають колишню форму.

Холоднокатані крем'янисті стали, кристали заліза яких розташовані переважно в напрямку прокатки, називають текстуровані.

Покращені магнітні характеристики спостерігаються у холоднокатаних сталей тільки при збігу напрямки їх прокатки з напрямком магнітного потоку. В іншому випадку всі магнітні властивості холоднокатаних текстурованих сталей нижче, ніж гарячекатаних.

Тому холоднокатані стали найбільш раціонально застосовувати в стрічкових сердечниках і інших конструкціях, де напрямок магнітного потоку збігається з напрямком прокатки.

Електротехнічну сталь прокочують в листи і стрічки товщиною від 0,05 до 1 мм. Це доступний і дешевий матеріал. Для сердечників електричних машин, що мають круглу форму, застосовують гарячекатані
 стали, а також холоднокатані малотекстурованной, які мають кращі магнітними властивостями, ніж гарячекатані.

Позначення марок електротехнічної сталі розшифровуються таким чином: буква Е - «електротехнічна сталь»; перші цифри 1, 2, 3 і 4 після букви Е-ступінь легування кремнієм, а саме: 1 - слаболегірованних сталь з вмістом кремнію в межах 0,8-1,8%, що має питомий об'ємний опір 0,2 · 10 - 6 Ом · м; 2 - середньолегованих з вмістом кремнію в межах 1,8-2,8% (0,40-10 -6 Ом-м); 3 - підвищено легована сталь з вмістом кремнію в межах 2,8-3,8% (0,50 · 10 -6 Ом · м); 4 - високолегована сталь з вмістом кремнію 3,8-4,8% (0,60 · 10-6 Ом-м). Другі цифри (від 1 до 8) вказують на найважливіші магнітні властивості: 1 - нормальні питомі втрати; 2 - знижені втрати; 3 - низькі втрати; буква А - особливо низькі втрати; 4 - гарантовані значення втрат при частоті 400 Гц і магнітної індукції в середніх за силою полях; 5 - гарантоване значення відносної магнітної проникності в слабких магнітних полях; 6 - гарантоване підвищене значення відносної магнітної проникності в слабких магнітних полях; 7 - гарантоване значення відносної магнітної проникності в середніх магнітних полях; 8 - гарантоване підвищене значення відносної магнітної проникності в середніх магнітних полях. Третя цифра (0) означає холоднокатану текстуровані сталь; третя і четверта
 цифри (00) означають холоднокатану малотекстурованной сталь. Приклади позначення марок: Е41, Е48А, Е3100, Е330.

У трансформаторобудуванні застосовують листову і рулонну електротехнічну сталь переважно товщиною 0,35 і 0,5 мм. Застосування стали зниженою товщини позначається сприятливо на зниженні втрат на вихрові струми.

«Ізолюючі та захисні покриття трансформаторних сталей»

Лінії по переробці трансформаторів збирають з пластин електротехнічної сталі, ізольованих плівкою жаростійкого покриття або лаку.

Лінії по переробці ремонтують частково і повністю, в залежності від ступеня пошкодження.

Вогнища прогара і оплавлення активної стали розчищають, знімаючи утворилися напливи металу карборундовим каменем або вирубуючи зубилом. Після очищення пошкодженої ділянки від напливів металу частково распрессовивают пластини муздрамтеатру на цій ділянці, відокремлюють сварилися крайками пластини одна від одної, і очистивши цю ділянку від залишків старої ізоляції і металевих тирси, ізолюють пластини знову.

Повна розбирання і перешіхтовка муздрамтеатру необхідна при таких важких ушкодженнях, як «пожежа стали», при якому може вийти з ладу значна частина пластин активної стали муздрамтеатру і ізоляційних деталей.

Очищення листів сталі (пластин) муздрамтеатру від старої ізоляції здійснюють механічним і хімічним способами, а також відпалом і відпарювати в гарячій воді.

Механічний спосіб використовують переважно для очищення пластин гарячекатаної сталі зазвичай на верстатах з обертовими сталевими кардолентнимі щітками. Цей спосіб найбільш распостраннений і простий, що забезпечує швидке очищення стали, але виникає шліфування поверхні збільшує втрати в сталі.

Хімічний спосіб очищення дозволяє легко видаляти з пластин лакову і паперову ізоляцію. При видаленні лакової ізоляції пластини занурюють в спеціальну ванну з каустичною содою на 15 - 20 хвилин, потім виймають і промивають проточною гарячою водою і сушать.

Способом відпалу в спеціальних термічних печах при 300-500 0С використовують для очищення пластин, покритих тонкими аркушами паперу і лаками. Застосовують рідко - за різкого зниження магнітної проникності і збільшення втрат в стали внаслідок утворення окалини на поверхні пластин і зміни структури стали, крім того йде забруднення атмосфе5ри продуктами згоряння паперу і лаку.

Найбільш простий спосіб видалення паперової ізоляції з пластин - відпарювання в воді, нагрітій до 90-100 0С. Для прискорення відшарування додають слабкий розчин каустичної соди.

Після очищення будь-яким із способів пластини ізолюють знову з обох сторін одноразово і двократно плівкою лаку і запікаючи її.

Основним пошкодженням шихтованних сердечників є псування ізоляції внаслідок підвищення температури муздрамтеатру. Псування ізоляції, зокрема лаку, відбивається у вигляді висихання і потріскування. В наслідок пошкодження ізоляції відбувається коротке замикання, яке призводить до спайці трансформаторних листів. Для попередження пошкодження сердечників необхідно стежити за навантаженням трансформатора, а слідчо, за робочою температурою трансформатора, проводити перевірку на наявність пошкоджень в ізоляції.

«Металеві магнітотверді матеріали»

Основна вимога до постійних магнітів, полягає в тому, що вони повинні створювати у повітряному проміжку між своїми полюсами магнітне поле з постійними за значеннями напруженістю і магнітної індукції. Постійний магніт повинен володіти великою магнітною енергією, тобто магнітотверді матеріали повинні мати можливо великі
 коерцитивної силу і залишкову магнітну індукцію.

Магнітний потік постійного магніту з часом зменшується, а отже, знижується і питома магнітна енергія. Цей процес називають старінням магніту. Якщо старіння магніту настає в результаті вібрацій, ударів, різкої зміни температури, йому повторним намагнічуванням можна повернути колишні магнітні властивості. Старіння ж, пов'язане зі зміною структури магнітотверді матеріалу, є незворотнім. Тому магнітотверді матеріали повинні бути стійкі до старіння.

Постійні магніти виготовляють із сталевих прутків і смуг мартенситних сталей гарячої куванням або штампуванням. Після механічної обробки їх гартують на мартенсит, а потім намагничивают. Для стабілізації магнітних характеристик всі магніти піддають штучному старінню.

Кращими матеріалами є кобальтові сталі, але вони значно дорожче хромистих і вольфрамових.

«Ферити»

Ферити виготовляють з порошкоподібних сумішей, що складаються з оксидів заліза і спеціально підібраних інших металів. Відпресовані громадських закладів спекают при високих температурах. Назва фериту визначається назвою двовалентного або рідше одновалентного металу, оксид якого входить до складу фериту. Так, якщо до складу фериту входить
 оксид цинку ZnO, то ферит називають ферритом цинку, якщо оксид нікелю NiO - ферритом нікелю і т. д.

Ферити, до складу яких крім оксиду заліза входить тільки один оксид іншого металу, називають простими.

Найкращими магнітними характеристиками мають складні, або змішані ферити, що представляють собою тверді розчини одного простого фериту в іншому. У цьому випадку можуть бути використані немагнітні ферити в поєднанні з магнітними простими ферритами. Наприклад, твердий розчин двох простих феритів цинку і нікелю утворює змішаний нікельцінковий ферит.

Ферити виготовляють по керамічної технології, т. Е. Початкові порошкоподібні оксиди металів, взяті в певному співвідношенні, подрібнюють у кульових млинах, потім з суміші тонкопомолотих порошків пресують брикети, які піддають первинному випалу в печах. Спеклися брикети розмелюють і в отриманий тонкодисперсний порошок вводять будь-якої пластифікатор, наприклад розчин полівінілового спирту. З отриманої маси пресують громадських закладів (сердечники, кільця), які обпалюють при 1000-1400 ° С. Отримані тверді крихкі вироби (переважно чорного кольору)
 можна обробляти тільки шліфуванням.

Гідність феритів - стабільність магнітних характеристик в широкому діапазоні частот, малі втрати на вихрові струми і простота виготовлення феритових деталей.

Як все магнітні матеріали, ферити зберігають свої магнітні властивості тільки до температури Кюрі. Температура Кюрі різних за складом феритів коливається в широких межах: від 70 до 450 ° С. Все ферити мають невелику пористістю.

Недоліком всіх феритів є крихкість і можливість обробки тільки шліфуванням.

Ферити є магнітними напівпровідниками і, отже, з ростом температури їх питомий опір зменшується, що викликає збільшення втрат на вихрові струми.

 




 Шелак. |  Копали. |  Тверді органічні діелектрики. |  Полімеризації синтетичні полімери |  Поліконденсаційні синтетичні полімери. |  Тема 3.6 Пластмаси, плівкові матеріали |  Тема 3.7 Гуми |  Тема 3.8 Лаки, емалі, компаунди |  Тема 3.9 Волокнисті діелектрики |  Тема 3.10 Електроізоляційна слюда і матеріали на її основі |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати