Магнитные материалы в электротехнике.

Введение

Больше всего видов электрооборудования полагаются, для их безопасной и эффективной характеристики, на электрическом кругообороте и средствах, чтобы держать этот кругооборот изолированным от окружающих материалов и окружающей среды. Многие типы оборудования также имеют магнитную цепь, которая связана с электрической цепью в соответствии с физическими законами.

Поэтому основные характеристики материала, имеющие отношение к области электротехники являются те, которые связаны с проводниками для электрической цепи, с системой изоляции необходимо изолировать эту схему и со специализированными сталями и постоянных магнитов, используемых для магнитной цепи.

Другие свойства, такие как механические, термические и химические свойства также важны, но они часто играют важную роль в специализированных случаях и их охват лучше всего оставить на другие книги, которые рассматривают эти области в более широком смысле. Объем данной главы ограничивается основными типами и характеристиками проводников, изоляционных систем и магнитных материалов, которые используются в основном в электрических установок и оборудования.
Магнитные материалы

Все материалы имеют магнитные свойства. Эти характерные свойства могут быть разделены на пять групп следующим образом:

• диамагнитны
• парамагнитного
• ферромагнитного
• антиферромагнитного
• ферримагнитная

Только ферромагнитные и ферримагнетиков обладают свойствами, которые полезны для практического применения.

Ферромагнитные свойства ограничены почти полностью железо, никель и кобальт и их сплавы. Исключение составляют лишь некоторые сплавы марганца и некоторых редкоземельных элементов.

Ферримагнетизм магнетизм смешанных оксидов ферромагнитных элементов. Они по-разному называются ферритов и гранатов. Основная феррит является магнетит, или Fe3O4, который может быть записан в виде FeO .Fe2O3. Подставив FeO с другими оксидами двухвалентных, широкий спектр соединений с полезными свойствами могут быть получены. Главным преимуществом этих материалов является то, что они имеют высокое электрическое сопротивление, которое сводит к минимуму вихревые токи, когда они используются в области высоких частот.

Важными параметрами в магнитных материалах могут быть определены следующим образом:

● проницаемость - это плотность потока B на единицу магнитного поля Н, как это определено в уравнениях 2.14 и 2.15. Это обычно и удобнее процитировать значение относительной проницаемости М.Р., который является B / Мз. Кривая, показывающая изменение проницаемости с магнитным полем для ферромагнитного материала приведен на рис. 3.1. Это происходит от начальной кривой намагничивания, и это указывает на то, что проницаемость является переменной, которая зависит от величины магнитного поля. Два важных значения начальной проницаемости, что наклон кривой намагничивания при Н = 0 и максимальной проницаемости, соответствующей колену кривой намагничивания.

● насыщения - при достаточном поле приложено к магнитному материалу он становится насыщенным. Любое дальнейшее увеличение поля не приведет к увеличению намагниченности и любое увеличение плотности потока будет происходить за счет добавленного поля. Намагниченности насыщения Ms в амперах на метр и Js или Bs в тесла.

● остаточную намагниченность, Br и коэрцитивность, Нс - это точки на петле гистерезиса, показанной на рис. 3.2, при котором поле Н равна нулю, а плотность потока B равна нулю, соответственно. Предполагается, что при прохождении вокруг этой петли, как материал был насыщен. Если это не так, то внутренний цикл пересекается с более низкими значениями остаточную намагниченность и коэрцитивную силу.

Ферромагнитные и ферримагнетиков умеренной до высокой проницаемостей, как показано в таблице 3.1. Проницаемость изменяется в зависимости от приложенного магнитного поля, поднявшись до максимума в колене кривой B-H и снижения до низкого значения при очень высоких полях. Эти материалы также имеют магнитный гистерезис, где интенсивность намагничивания материала изменяется в зависимости от того, поле увеличивается в положительном смысле или уменьшается в отрицательном смысле, как это показано на рис. 3.2. Когда намагниченность непрерывно циркулирует вокруг петли гистерезиса, как, например, когда приложенное поле возникает из переменного тока, то потери энергии пропорциональны площади включенного контура. Это гистерезисные потери, и измеряется в джоулях на кубический метр. Высокие потери на гистерезис, связанный с постоянными магнитными характеристиками, демонстрируемых материалов, обычно называемых жестких магнитных материалов, так как они часто имеют жесткие механические свойства. Эти материалы с низкими потерями гистерезиса называются мягкими и трудно намагнитить на постоянной основе.

Ферромагнитные или ферримагнитные свойства исчезают обратимо, если материал нагревают до температуры выше температуры Кюри, в этот момент он становится парамагнитным, то есть фактически немагнитный.
Мягкие (с высокой проницаемостью) материалов

Существует большое разнообразие мягких магнитных материалов для применений с постоянным полем постоянного тока через 50/60 Гц до сверхвысоких частот. Для основной массы приложений железа, используются сталь или чугун. Они имеют преимущество низкой стоимости и прочности, но они должны быть использованы только для постоянного тока применений, так как они имеют низкое электрическое удельное сопротивление, которое привело бы к вихревыми токами, если они используются в переменных полях.

При выборе материала высокой проницаемости для конкретного применения могут быть особые соображения. Если частота приложенного напряжения равна 10 кГц или выше, а затем ферритов или обычно будет использоваться гранатов. Для постоянного применения в полевых условиях используется низкоуглеродистая сталь, и с низким содержанием углерода железо используется там, где самая высокая проницаемость или низкая коэрцитивность требуется. Для силовых трансформаторов 50/60 Гц, с ориентированной зернистой кремнистой стали используется, но в настоящее время серьезной конкуренции со стороны аморфной полосы, и, хотя это дороже, потери в сердечнике значительно ниже, чем у стали кремния. Для самой высокой проницаемостью и низкой коэрцитивной в специализированных приложениях вплоть до 10 кГц никелевого железа будет предпочтительным выбором, хотя его стоимость может быть непомерно высокой.

листовые стали

Есть несколько сортов листовой стали, и они включают в себя, безусловно, большая часть мягкой, высокой проницаемостью материала. Эти металлические материалы имеют сравни- тельно низкое электрическое удельное сопротивление, и они используются в листовой (или ламинации) форме, так как это ограничивает поток вихревых токов и потерь, которые являются результатом. Диапазон толщины листа используется для применений 50/60 Гц 0.35-0.65 мм для неориентированных материалов и 0.13-0.35 мм для зерна ориентированных на кремнистых сталей. Для более высоких частот 400-1000 Гц толщиной 0,05-0,20 мм используются.

В трансформаторной стали, повышение уровня содержания кремния снижает потери, но и уменьшает проницаемость; для многих приложений на 3 процента содержание кремния пред- возмущает хороший баланс. Влияние кремния является увеличение удельного электрического сопротивления стали; не только снижает потери от вихревых токов, но оно также повышает стабильность стали и способствует производству ориентации зерен. Лист подвергается холодной прокатки и сложной обработки отжигом для получения ориентации зерен в прокатном направлении, и это также дает повышенную магнитную проницаемость в этом направлении. Свойства дополнительно улучшаются на стадии отжига со стеклянной пленки на поверхности, которая удерживает сталь в состоянии напряжения и обеспечивает электрическую изоляцию между ламинаций в активной зоне. Фосфатного покрытия применяется для завершения натяжения и изоляцию. Размер зерен в результирующие листы сравнительно велика и доменные границы довольно далеко друг от друга. Искусственные границы зерен могут быть получены путем укладки линий аблированных пятен на поверхности стали; в результате стресса и атомное шаблон разрушение прижимает доменных стенок и приводит к меньшему разделительной стенки. Различные методы были использованы для получения этого абляции, в том числе искры и лазерной техники. Все эти процессы применяются в работах сталелитейного завода-изготовителя и полученную сталь часто называют полностью обработаны. Основное применение этого зерна-ориентированного материала в силовых трансформаторах, где низкие потери энергии имеет важное значение, так как трансформатор всегда подключен, даже если его нагрузка находится на минимальном уровне.

Для вращающихся машин, особенно двигатели с мощностью более чем около 100 кВт, неориентированного используются стали с более низким содержанием кремния. В то время как эффективность остается важным в этом применении, высокая проницаемость теперь также имеет важное значение для того, чтобы минимизировать ток намагничивания и максимального крутящего момента. Этот материал также используется в небольших трансформаторов, дросселей для люминесцентных ламп, счетчиков и магнитного экранирования.

Для небольших двигателей кремния свободные неориентированных стали часто используются. Они производятся производителем стали и имеют относительно высокое содержание углерода. Углерод делает лист достаточно трудно для штамповки в ламинаций и после штамповки, материал де-цементации и отжигу для увеличения размера зерна. Из-за потребности в этой вторичной переработки, материалы часто называют полуфабричный. Эти материалы, как правило, дешевле, чем кремнистые стали, но в их готовом виде они имеют гораздо более высокую проницаемость; в небольших двигателей особенно это может быть более важным, чем эффективность. Другие области применения включают реле и магнитные муфты.

Кремниевые стали также производятся в виде прутков, стержней или проводов для реле, шаговых двигателей и корпусов гироскопов. Предел прочности при растяжении из кремнистых сталей может быть улучшена путем добавления легирующих элементов, таких как марганец; Этот тип материала используется в сильно нагруженных участках магнитной цепи в высокоскоростных двигателей или генераторов.

Аморфные сплавы

Этот класс сплавов, часто называют металлические стекла, получают путем быстрого затвердевания сплава при скорости охлаждения около миллиона градусов в секунду. Сплавы затвердевать с стекловидной атомной структурой, которая является некристаллической замороженной жидкостью. Быстрое охлаждение достигается за счет чего расплавленный сплав течь через отверстие на быстро вращающейся водоохлаждаемой барабана. Это может производить листов, толщина 10 мм, а один метр и более широко.

Существуют две основные группы аморфных сплавов. Первым из них является богатой железом группа магнитных сплавов, которые имеют самую высокую намагниченность насыщения среди аморфных сплавов и основанных на недорогих сырьевых материалов. Богатые железом сплавы в настоящее время используются в долгосрочных испытаний в силовых трансформаторов в США. Во-вторых, на основе кобальта, группа, которые имеют очень низкий или нулевой магнитострикции, что приводит к самой высокой проницаемостью и самой низкой потери в сердечнике. Кобальтовые сплавы на основе используются для различных высокочастотных приложений, включая пульсирующих устройства и магнитофон головок, где их механическая прочность обеспечивает отличную износостойкость.

Все эти сплавы имеют удельное сопротивление, которое выше, чем у обычных кристаллических электротехнических сталей. Из-за этого, потери на вихревые токи были сведены к минимуму и при 50/60 Гц и на более высоких частотах. Сплавы имеют другие преимущества, в том числе гибкостью без потери твердости, высокой прочности на разрыв и хорошей коррозионной стойкостью.

Никель сплавы железа

Очень высокая магнитная проницаемость и низкая коэрцитивность никелевых сплавов железа обусловлено двумя основными свойствами, которые являются магнитострикции и магнитной анизотропии. При содержании никеля около 78 процентов обоих этих параметров равны нулю. Магнитострикция было кратко упоминается в разделе 2.4.4; это изменение размеров в материальных вследствие намагниченности, и при этом равна нулю нет внутренних напряжений, индуцированные в процессе намагничивания. Магнитная анизотропия разница между магнитным поведением в разных направлениях; когда это равно нулю возрастает намагниченность круто под действием магнитного поля, независимо от направления кристалла. Сплавы с примерно 78 процентов содержания никеля -ной по-разному называют Mumetal или пермаллоя.

Коммерческие сплавы в этом классе имеют добавки хрома, меди и молибдена с целью повышения удельного сопротивления и улучшения его магнитных свойств. Области применения включают в себя специальные трансформаторы, автоматические выключатели, магнитные записывающие головки и магнитное экранирование.

Пятьдесят процентов никеля сплавы железа имеют самую высокую намагниченность насыщения этого класса материалов, и, следовательно, в лучшем мощности потока несущей. Они имеют более высокую проницаемость и лучшую коррозионную стойкость, чем кремний, железо материалов, но более дорогие. Широкий диапазон свойств могут быть получены различными методами обработки. Тяжелая холодная сокращение создает текстуру куба и квадратную петлю гистерезиса в отожженной полосы, а свойства могут быть адаптированы путем отжига материала ниже температуры Кюри в магнитном поле. Сфера применения данного материала включают дроссели, реле и небольших двигателей.

Ферриты и гранаты

Ферриты представляют собой соединения оксида железа, содержащие один или более оксидов других металлов. Важными высокой магнитной проницаемостью материалы цинка феррита марганца и никеля феррита цинка. Их получают из составляющих оксидов в виде порошка, предпочтительно того же размера частиц тщательно смешивают. Смесь обжигают при температуре около 1000 ° С, и за этим следует дробление, помол и затем прессование порошка в пресс-форму или экструзии до требуемой формы. Полученный компактный представляет собой черную ломкими керамики и любая последующая обработка должна быть измельчением. Материалы могут быть получены с высокой проницаемостью, и потому, что их высокие пределы удельного электрического сопротивления вихревых токов до пренебрежимо малого уровня, они могут быть использованы на частотах до 20 МГц в качестве твердого ядра индукторов или трансформаторов.

Сочетание гистерезиса, вихревые токи и остаточные потери возникают, и эти компоненты могут быть по отдельности под контролем состава и условий обработки с учетом требуемой проницаемости и рабочей частоты.

Насыщение плотность потока ферритов является относительно низкой, что делает их непригодными для силовых цепей. Поэтому их использование почти полностью в электронной промышленности и телекоммуникаций, где они сейчас в основном заменены ламинированных литые и порошковые сердечники.

Гранаты используются для частот 100 МГц и выше. Они имеют сопротивлениями свыше 108 Вт м по сравнению с ферритовым сопротивлением, которое составляет до 103 Вт м. Так как вихревые потери тока ограничены сопротивлением, они значительно уменьшаются в гранатах. Основа

Железоиттриевого Гранат (МИГ) состав 3Y2O3 · 5Fe2O3. Это модифицируется, чтобы получить

улучшенные свойства, такие как очень низкие потери и большей температурной стабильностью при добавлении других элементов, включая Al и Gd. Материалы получают путем нагревания смеси оксидов под давлением при температуре свыше 1300 ° С в течение до 10 часов. Гранаты используются в СВЧ-схем в фильтрах, изоляторами, циркуляционных и смесителей.

Мягкие магнитные композиты

Мягкие магнитные композиты (SMC) состоят из железа или железного сплава, порошка, смешанного со связующим веществом и небольшое количество смазки. Композиционный вдавливается в окончательную форму, которая может быть довольно сложным. Смазка уменьшает трение во время прессования и способствует выбросу части из матрицы. После прессования детали либо отверждали при температуре от 150 до 275 ° C или подвергают термообработке при 500 ° C.

Выделение частиц внутри связующего вещества минимизирует вихревые токи и делает компоненты очень подходит для частотных приложений среднего до 1 кГц или более. Они имеют дополнительные преимущества быть изотропным и может быть использован для компонентов с довольно сложной формы.
Жесткий (постоянный магнит) материалы

Основные свойства материала магнита постоянного определяются кривой размагничивания, которая является участок кривой гистерезиса во втором квадранте между Br и -Нс. Можно показать, что, когда часть постоянного магнита является частью магнитной цепи, магнитное поле, создаваемое в зазоре в контуре пропорциональна V B '', где В и Н представляют собой точку на кривой размагничивания и V представляет собой объем постоянного магнита. Для того, чтобы получить заданное поле с минимальным объемом магнита продукт B 'H должен поэтому быть максимальным, и (BH) макс значение полезпые при сравнении характеристик материала.

Оригинальные постоянные магнитные материалы были стали, но они теперь вытесняется более качественных и стабильных материалов, включая алнико, ферритов и редкоземельных сплавов. Магнитные свойства всех постоянных магнитов материалов суммированы в таблице 3.2.

сплавы алнико

Широкий спектр сплавов с магнитным полезными свойствами на основе системы Al-Ni-Co-Fe. Эти сплавы характеризуются высокой остаточной намагниченности, высокой доступной энергии и умеренно высокой коэрцитивности. Они имеют низкий и обратимый температурный коэффициент около -0,02% / ° C и самый широкий полезный диапазон рабочих температур (до более чем 500 ° C) любого постоянного магнита.

Сплавы получают либо путем плавления или спекания вместе составные элементы. Анизотропия достигается путем нагрева до высокой температуры и позволяя материалу остыть при контролируемой скорости в магнитном поле в направлении, в котором магниты должны быть намагничены. Свойства были значительно улучшены в этом направлении за счет свойств в других направлениях. После этого следует обработка темперирования в диапазоне 650-550 ° С. Диапазон коэрцитивную может быть получено путем изменения содержания кобальта. Свойства в предпочтительном направлении, могут быть дополнительно улучшены путем изготовления сплава с столбчатых кристаллов.

Ферриты

Постоянный магнит ферриты также называют керамику, и они представляют собой смеси оксида железа и оксида двухвалентной тяжелого металла, обычно барий или стронций. Эти ферриты изготовлены путем смешивания вместе бария или стронция карбонат с оксидом железа. Смесь обжигают, и полученный материал измельчают до частиц размером около 1 мм. Порошок прессуют до требуемой формы в пресс-форму и анизотропные магниты изготавливаются путем применения магнитного поля в направлении нажима. Результате компактна обжигают.

Редкие сплавы редкоземельных

(ВН) максимальные значения, которые могут быть достигнуты с редкоземельных сплавов в 4-6 раз больше, чем те, для алнико или феррита.

Три основных постоянных магнитов редкоземельных сплавов самария кобальта (SmCo5 и Sm2Co17) и неодима, железа и бора (NdFeB). Эти материалы могут быть получены сплавлением составляющих элементов, или более, как правило, за счет снижения смеси оксидов вместе в атмосфере водорода с использованием кальция в качестве восстановителя. Сплав затем измельчают до размера частиц около 10 мм, прессуют в магнитном поле и спекают в вакууме.

Первый сплав будет доступен был SmCo5, но это постепенно заменен Sm2Co17 из-за его низкой стоимости и лучшей температурной стабильностью. Более недавно разработанные NdFeB магниты имеют преимущество выше остаточную намагниченность Вr и выше (BH) макс, и они имеют более низкую стоимость, так как сырье дешевле. На дисплее преимуществом NdFeB материалов является то, что они подвержены коррозии, и они страдают от быстрого изменения магнитных свойств (в частности, коэрцитивности) с температурой.

Коррозия может быть предотвращено путем покрытия магнитов и свойства при повышенной температуре может быть улучшена за счет небольших добавок других элементов.

магнитопластов

Ферриты и редкие магниты также производятся в связанных формах. Частицы магнитного порошка смешивают со связью и полученную в результате компактна могут быть свернуты, прессованные или литьем под давлением. Для гибкого магнита облигации могут быть каучук, или для жесткого магнита они могут быть нейлон, полипропилен, смолы или других полимеров. Несмотря на то, что магнитные свойства уменьшаются на связи, они могут быть легко вырезать или нарезанных и в отличие от спеченных магнитов они не подвержены растрескиванию или зазубрин. Овсяные или прессованные магниты дают лучшие свойства, как некоторая анизотропия может быть вызвана, но литьевая иногда предпочтительно производить сложные формы, которые могут даже включать другие компоненты. Литье под давлением также производит точную форму без потерь материала.

Приложения

Постоянные магниты имеют очень широкий спектр применения и практически каждую часть промышленности и коммерции использует их в некоторой степени. В свое время Алнико был единственным доступным высокоэнергетический материал, но он постепенно был заменен ферритов и редкоземельных сплавов, за исключением применений высокой стабильности. Ферриты намного дешевле, чем Alnico, но из-за их более низкой плотности потока и энергии продукта часто требуется больший магнит. Тем не менее, около 70 процентов магнитов, используемых являются феррита. Они находят применение в объемных акустических систем, небольших двигателей и генераторов, а также широкий спектр электронных приложений. Редкоземельные сплавы являются более дорогими, но, несмотря на это, и из-за их намного большей прочности они используются во все возрастающих количествах. Они дают возможность миниатюризации, а также рис 3.3 и 3.4 показывают диапазон применений для постоянных магнитов в домашних условиях, так и в автомобиле.

Другие материалы

В дополнение к двум основным группам мягких и твердых магнитных материалов, существуют и другие материалы, которые удовлетворяют особые потребности.

В слабомагнитных стали являются аустенитные, и их практически не магнитные свойства достигаются за счет добавления хрома и никеля в низкоуглеродистой стали. Для достижения относительной проницаемости 1,05 или менее, рекомендуемая композиция составляет 18 процентов хрома и 10 процентов никеля, или больше. Эти стали, которые имеют минимальные требования к прочности, используются для немагнитных деталей машин, для магнитного измерительного оборудования и оборудования траления, где магнитный поток может привести в действие магнитных мин.

Магнитная запись использует тонких магнитных частиц, которые заделаны в ленте или диске. Эти частицы состоят из металла или из железа или оксида хрома, и выбор зависит от компромисса между ценой и качеством. Головки, используемые для магнитной записи, как правило, сделаны из высокой проницаемостью ферритов, но аморфный металл в настоящее время также используется. Магнитное хранение является быстро развивающаяся область с более высокими и более высокой плотностью информации достигается.
стандарты

Главным национальным и международным стандартом для магнитных материалов IEC 60404, к которому BS 6404 эквивалентно. Этот стандарт имеет много частей со спецификациями для свойства кремниевых сталей, никелевых чугунов и постоянных магнитов. Также включены измерения стандарты для этих материалов. Стандарты BS в настоящее время перенумерован с номерами BSEN. Эти стандарты были недавно рассмотрены Станбери (ссылка 3D).