Экзаменационные ответы по электротехническим материалам. Шпаргалка Электротехнические материалы. 1 Классификация материалов. Атомнокристаллическое строение и виды связи в материалах. Влияние дефектов на свойства материалов
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
39 Мощность потерь в магнитных материалах. Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называют удельными магнитными потерями Р, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются прежде всего вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью). Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь РГ, Вт/кг, расходуемая на гистерезис единицей массы материала, определяется формулой Рг = η ƒ (Bм )n, (14.14) где η— коэффициент, зависящий от природы материала; Вм — максимальная магнитная индукция в течение цикла; n — показатель степени, имеющий значение в зависимости от В в пределах от 1,6 до 2; ƒ— частота. Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой (узкой петлейгистерезиса). Для этого путем отжига снимают внутренние напряжения, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерно. Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти потери зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, поэтому на высоких частотах магнитные материалы с низким электрическим сопротивлением не применяют. Мощность потерь Рвт, Вт/кг, расходуемая на вихревые токи единицей массы, в общем виде определяется формулой Рвт= ξ ƒ 2 (Bм ) 2, (14.15) где ξ — коэффициент, зависящий от природы магнитного материала (в частности, от его удельного сопротивления ), а также его формы. Для листовых образцов магнитного материала Рвт равна, кг/Вт: Рвт = 1,64 h2 ƒ 2 (Bм ) 2/ dρ (14.16) где Вм — максимальная магнитная индукция в течение цикла, Тл;ƒ— частота переменного тока, Гц; h — толщина листа, м; ρ — удельное электрическое сопротивление, Ом•м; d — плотность материала, кг/м3. Поскольку величина Рвт зависит от квадрата частоты, на высоких частотах в первую очередь необходимо учитывать потери на вихревые токи. Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечников (магнитопроводов). Для этого их собирают из отдельных, электроизолированных друг от друга листов ферромагнетика с относительно высоким удельным сопротивлением или прессуют магнитный материал, находящийся в порошкообразном виде, с диэлектриком так, чтобы отдельные частицы ферромагнетика были разделены друг от друга прослойкой из диэлектрика (магнитодиэлектрики), или используют ферриты — ферримагнитную керамику, имеющую высокое удельное сопротивление — сопротивление того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков. Ферриты представляют собой твердые растворы окисла железа с окислами некоторых двухвалентных металлов с общей формулой MeO•Fe2О3. При уменьшении толщины листового металлического магнитного материала потери на вихревые токи снижаются, однако возрастают потери на гистерезис, так как при уменьшении толщины листа измельчается зерно и, следовательно, увеличивается коэрцитивная сила.С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис (сравните формулы (14.14) и (14.15)), и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом. Таким образом, толщина листового магнитного материала непосредственно зависит от частоты переменного тока, при которой работает изделие, и каждой частоте соответствует определенная толщина листа, при которой полные магнитные потери минимальны. Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), — это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывание и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы. Мощность потерь Рмп, вызванную магнитным последействием, нельзя рассчитать аналитически. Она определяется как разность между удельными магнитными потерями Р и суммой потерь на гистерезис Рт и вихревые токи Рт: Рмп = Р - (Рг +Рвт). (14.16) При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δм. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tg δм. На рис. 14.12 представлена эквивалентная последовательная схема замещения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r1, эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и   Рис. 14.12. Эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма катушки индуктивности с магнитным сердечникомэлектрической изоляции. Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получимtg δм = r1 / ω L = 1/Q (14.17) где ω — угловая частота; L — индуктивность катушки; Q - добротность катушки с испытуемым магнитным материалом. Уравнение (14.17) показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки. Индукцию, возникающую в магнитном материале под действием магнитного поля, можно представить в виде двух составляющих: одна совпадает по фазе с напряженностью поля Bм1 = Bм•cosδ, другая отстает на 90° от напряженности поля и равна Вм1 = Вм•sinδ. При этом Вм1 связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а Вм2 — с необратимыми. Для характеристики магнитных свойств материалов, применяемых в цепях переменного тока, наряду с другими характеристиками, используют комплексную магнитную проницаемость μ., которая равна Μ = μ/ - jμ//, (14.18) где j — мнимая единица (j = √-l); μ/ — вещественная часть, или упругая магнитная проницаемость μ// — мнимая часть, или вязкая магнитная проницаемость, или проницаемость потерь Отношение μ// / μ/ является тангенсом угла магнитных потерь tgδм tgδм= μ// /μ/ (14.21) 40 Классификация магнитных материалов, магнитомягкие материалы (железо, сталь, ферриты). Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения. К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п. Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы. Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. 41 Классификация магнитных материалов, магнитотвердые материалы. Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, используемых в различной аппаратуре, устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вr и максимальная удельная магнитная энергия Wм отдаваемая материалом в пространство. Магнитная энергия пропорциональна произведению Вr и Нc. Поскольку Вr ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Нc. Коэрцитивная сила магнитотвердых материалов на 1 – 4 десятичных порядка больше, чем у магнитомягких материалов, однако магнитная проницаемость M у них меньше. При этом чем больше Нс, тем меньше M. Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называют старением магнита. Старение магнитов может быть обратимым и необратимым. Обратимое старение происходит под действием ударов, толчков, резких колебаний температуры, воздействия внешних постоянных полей. Оно приводит к снижению Вr на 1 – 3 %. Магнитные свойства при этом старении можно восстановить путем повторного намагничивания. Необратимое старение связано с изменением структуры материала во времени и повторным намагничиванием не устраняется. Высокая коэрцитивная сила у магнитотвердых материалов достигается созданием в кристаллической решетке большого количества внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов путем легирования материала и последующей термической обработки. Кроме того, очень высокую Нс получают у материалов, состоящих из смеси магнитной и немагнитной фаз. При этом частицы магнитной фазы являются настолько мелкими, что не делятся на домены. По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяются на следующие группы: углеродистые и легированные стали мартенситной структуры; литые высококоэрцитивные сплавы; металлокерамические и металлопластические магниты; магнитотвердые ферриты; сплавы на основе редкоземельных элементов; сплавы для магнитных носителей информации. 42 Классификация магнитных материалов, пермаллои. Пермаллои — железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40¸50% Ni) и высоконикелевые (72¸80 % Ni). Такое подразделение обусловлено смещением магнитных и электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Из рисунка 8.18 видно, что mнач имеет два максимума: относительный (1) и абсолютный (2): 1 - область с содержанием никеля 40¸50% соответствует низконикелевому пермаллою; 2 - область с содержанием 72¸80% — высоконикелевому, обладающими и наибольшими значениями mмакс. Из характеристик следует, что r у низконикелевого пермаллоя значительно выше (примерно в два раза), чем у высоконикелевого пермаллоя. Это приводит к разграничению области применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев. Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатаными с последующим высокотемпературным отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоя не допустимы механические напряжения (удары, рихтование, сдавливание обмоткой и другие) из-за ухудшения магнитных характеристик. Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений. По основным магнитным свойствам выделяются несколько групп пермаллоев. Посмотрите свойства нелегированного высоконикелевого и низконикелевого пермаллоев. Основные свойства некоторых наиболее распространенных марок пермаллоев приведены в следующей таблице. Цифра в обозначении марки указывает процентное содержание никеля.
Сплавы с наибольшей mмакс и mнач рекомендуются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов при их толщинах менее 0.02 мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и реле. Сплавы с повышенным удельным сопротивлением реализуют для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания. С увеличением частоты следует применять более низконикелевые пермаллои тонкого проката. 43 Классификация магнитных материалов, магнитодиэлектрики. Как и ферриты МД являются высокочастотными магнитными материалами. По сравнению с ферритами они имеют более стабильные свойства, но по ряду электромагнитных параметров уступают им. Получаются по технологии аналогичной технологии пластмасс. МД состоят из мелкоизмельченного ферромагнетика, частицы которого изолированы и скреплены немагнитным материалом. В качестве ферромагнетика наиболее часто используют альсифер, карбонильное железо, пермаллой, в качестве связки как органические материалы такие как бакелит, полистирол, шеллак, так и неорганические - жидкое стекло, стеклоэмали и другие. Прессование изделий из МД - колец, сердечников и т.д. производится при давлениях (14¸20) .102 МПа (14¸20 Т/см2), чем выше давление, тем выше магнитная проницаемость. Примеры магнитных характеристик промышленных магнитодиэлектриков показаны в таблице.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||