Магнитные и немагнитные материалы

В магнитных цепях различных электрических машин, трансформаторов, приборов и аппаратов электротехники, радиотехники и других отраслей техники встречаются разнообразные магнитные и немагнитные материалы.

Магнитные свойства материалов характеризуются величинами напряженности магнитного поля, магнитного потока, магнитной индукции и магнитной проницаемости.

Зависимость между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля, выраженная графически, образует кривую, называемую петлей гистерезиса. Пользуясь этой кривой, можно получить ряд данных, характеризующих магнитные свойства материала.

Переменное магнитное поле вызывает появление в магнитных материалах вихревых токов. Эти токи нагревают сердечники (магнитопроводы), что приводит к затрате некоторой мощности.

Для характеристики материала, работающего в переменном магнитном поле, суммарное значение мощности, затрачиваемой на гистерезис и вихревые токи при частоте 50 Гц, относят к 1 кг веса материала. Эта величина называется удельными потерями и выражается в Вт/кг.

Магнитная индукция того или иного магнитного материала не должна превышать некоторой максимальной величины в зависимости от вида и качества данного материала. Попытки увеличить индукцию приводят к увеличению потерь энергии в данном материале и его нагреву.

Магнитные материалы классифицируются как магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны отвечать следующим требованиям:

1. обладать большой относительной магнитной проницаемостью µ, позволяющей получать большую магнитную индукцию B при возможно малом числе ампер-витков;
2. иметь возможно меньшие потери на гистерезис и вихревые токи;
3. обладать стабильностью магнитных свойств.

Магнитно-мягкие материалы используются в качестве магнитопроводов электрических машин, сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов реле, электроизмерительных приборов и тому подобном. Рассмотрим некоторые магнитно-мягкие материалы.

Электротехническое железо

получают путем электролиза сернистого или хлористого железа с последующей плавкой в вакууме продуктов электролиза. Измельченное в порошок электролитическое железо идет на изготовление магнитных деталей по типу изготовления керамики или пластмасс.

Карбонильное железо

получается в виде порошка в результате термического разложения вещества, в состав которого входит железо, углерод и кислород [Fe(CO)₅].

При температуре 1200 °С порошок карбонильного железа спекается и идет на изготовление таких же деталей, которые выполняются из электролитического железа. Карбонильное железо отличается высокой чистотой и пластичностью; применяется в электровакуумной промышленности, а также в приборостроении для изготовления лабораторных инструментов и приборов.

Рассмотренные нами два вида особо чистого железа (электролитическое и карбонильное) содержат не более 0,05 % примесей.

Листовая электротехническая сталь

является наиболее распространенным материалом в электромашиностроении и трансформаторостроении. Электротехническая сталь легируется кремнием для улучшения ее магнитных свойств и уменьшения потерь на гистерезис. Кроме того, в результате введения кремния в состав стали увеличивается ее удельное сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Толщина листа в зависимости от марки стали 0,3 и 0,5 мм. Электротехническая сталь, прокатанная в холодном состоянии с последующим отжигом в атмосфере водорода, имеет особо высокие магнитные свойства. Это объясняется тем, что кристаллы металла располагаются параллельно направлению прокатки. Такая сталь обозначается буквами ХВП (холоднокатаная высокой проницаемости, текстурированная). Листы стали имеют размеры от 1000 × 700 до 2000 × 1000 мм.

Марки электротехнической стали раньше обозначались, например, так: Э3А, Э1АБ, Э4АА. Буква Э означает – электротехническая сталь; буква А – пониженные потери мощности в переменном магнитном поле; буквы АА – особо низкие потери; буква Б – повышенная магнитная индукция; цифры 1 – 4 показывают количество содержащегося в стали кремния в процентах.

Согласно ГОСТ 802-54, введены новые обозначения марок электротехнической стали, например: Э11, Э21, Э320, Э370, Э43. Здесь буква Э обозначает – электротехническая сталь; первые цифры: 1 – слаболегированная кремнием; 2 – среднелегированная кремнием; 3 – повышенолегированная кремнием и 4 – высоколегированная кремнием. Вторые цифры в обозначении марок указывают на следующие гарантированные магнитные и электрические свойства сталей: 1, 2, 3 – удельные потери при перемагничивании сталей при частоте 50 Гц и магнитная индукция в сильных полях; 4 – удельные потери при перемагничивании сталей при частоте 400 Гц и магнитная индукция в средних полях; 5, 6 – магнитная проницаемость в слабых полях (H менее 0,01 А/см); 7, 8 – магнитная проницаемость в средних полях (H от 0,1 до 1 А/см). Третья цифра 0 указывает на то, что сталь холоднокатаная, текстурированная.

Пермаллой

сплав железа и никеля. Примерный состав пермаллоя: 30 – 80 % никеля, 10 – 18 % железа, остальное медь, молибден, марганец, хром. Пермаллой хорошо обрабатывается и выпускается в виде листов. Обладает очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (до 200 000 Гн/см). Пермаллой применяется для изготовления деталей телефонной и радиотехнической связи, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, реле, деталей электроизмерительных приборов.

Альсифер

сплав алюминия, кремния и железа. Примерный состав альсифера: 9,5 % кремния, 5,6 % алюминия, остальное железо. Альсифер – твердый и хрупкий сплав, поэтому он обрабатывается с трудом. Преимущества альсифера – высокая магнитная проницаемость в слабых магнитных полях (до 110 000 Гн/см), большое удельное сопротивление (ρ = 0,81 Ом × мм²/м), отсутствие в его составе дефицитных металлов. Применяется для изготовления сердечников, работающих в высокочастотных установках.

Пермендюр

сплав железа с кобальтом и ванадием (50 % кобальта, 1,8 % ванадия, остальное железо). Пермендюр выпускается в виде листов, полос и лент. Применяется для изготовления сердечников электромагнитов, динамических репродукторов, мембран, телефонов, осциллографов и тому подобного.

Магнитодиэлектрики

Это магнитно-мягкие материалы, раздробленные в мелкие зерна (порошок), которые изолируются одно от другого смолами или другими связками. В качестве порошка магнитного материала применяется электротехническое железо, карбонильное железо, пермаллой, альсифер, магнетит (минерал FeO · Fe₂O₃). Изолирующими связками являются: шеллак, фенолоформальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и другие. Порошок магнитного материала смешивают с изолирующей связкой, тщательно перемешивают и из полученной массы прессуют под давлением сердечники трансформаторов, дросселей, деталей радиоаппаратуры. Зернистое строение магнитодиэлектрических материалов обуславливает малые потери на вихревые токи при работе этих материалов в магнитных полях токов высокой частоты.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям:

1. обладать большой остаточной индукцией;
2. иметь большую максимальную магнитную энергию;
3. обладать стабильностью магнитных свойств.

Самым дешевым материалом для постоянных магнитов является углеродистая сталь (0,4 – 1,7 % углерода, остальное – железо). Магниты, изготовленные из углеродистой стали, обладают невысокими магнитными свойствами и быстро теряют их под влиянием нагрева, ударов и сотрясений.

Легированные стали обладают лучшими магнитными свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов чаще, чем углеродистая сталь. К таким сталям относятся хромистая, вольфрамовая, кобальтовая и кобальто-молибденовая.

Для изготовления постоянных магнитов в технике разработаны сплавы на основе железа – никеля – алюминия. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Сплавы обладают исключительно высокими магнитными свойствами и большой магнитной энергией в единице объема.

В таблице 1 приведены данные о составе некоторых магнитно-твердых материалов для изготовления постоянных магнитов.

Таблица 1

Химический состав магнитно-твердых материалов

Немагнитные материалы

В различных приборах и аппаратах, применяемых в электротехнике, необходимо иметь материал, не обладающий магнитными свойствами. Для таких целей пригодны пластмасса и цветные металлы (алюминий, латунь, бронза). Однако эти материалы обладают малой механической прочностью, а некоторые из них дефицитны. В связи с этим они заменяются немагнитной сталью и немагнитным чугуном.

Примерный состав немагнитной стали: 0,25 – 0,35 % углерода, 22 – 25 % никеля, 2 – 3 % хрома, остальное – железо. Немагнитная сталь применяется для стяжки и крепления трансформаторов, дросселей, катушек индуктивности и тому подобного.

Примерный состав немагнитного чугуна: 2,6 – 3 % углерода, 2,5 % кремния, 5,6 % марганца, 9 – 12 % никеля, остальное – железо.

Немагнитный чугун применяется для изготовления крышек, кожухов, втулок, масляных выключателей, кабельных муфт, кожухов сварочных трансформаторов.

Источник: Кузнецов М. И., "Основы электротехники" - 9-е издание, исправленное - Москва: Высшая школа, 1964 - 560с.