Требования к магнитомягким материалам.

Магнитомягкие материалы характеризуются способностью намагничиваться до насыщения в слабых полях и малыми потерями на перемагничивание. К ним предъявляются следующие требования:

1. Узкая петля гистерезиса, т.е. малое значение коэрцитивной силы H_C и большая величина магнитной проницаемости m;

2. Большая индукция насыщения B_S, т.е. при заданной площади поперечного сечения магнитопровода должно обеспечиваться прохождение максимального потока;

3. Минимальные потери мощности при работе в переменных полях, так как потери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимого значения.

Материалы, отвечающие перечисленным требованиям, обеспечивают высокий энергетический КПД и необходимую рабочую индукцию при заданной температуре перегрева, что позволяет уменьшить габариты имассу устройств.

 

Классификация магнитомягких материалов.

Виды магнитомягких материалов представлены на рис.5.20.

 

 

Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Основные параметры низкочастотных магнитомягких материалов приведены в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1. Основные параметры НЧ магнитомягких материалов.

Материал	Магнитная проницаемость	HC, А/м	Bδ, Тл	ρ, мкОм·м
mНАЧ	mMAX
1. Монокристалл чистейшего Fe			0,8	–	0,097
2.Низкоуглеродистая сталь	250-400	3000-5000	32-95	2,18	0,1
3.Электролитическое Fe				2,18	0,1
4. Карбонильное Fe	2000-3000	20000-21500	6,4	2,18	0,1
5. Кремнистая сталь	200-600	3000-8000	10-65	1,95-2,02	0,25-0,6
6. Пермаллои:
низконикелевый	1500-4000	15000-60000	5-32	1-1,6	0,45-0,9
высоконикелевый	7000-100000	50000-300000	0,65-0,5	0,65-1	0,16-0,9
супермаллой		600000-1500000	0,3	0,79	0,6
7. Аморфные сплавы:
80 % Fe, 20 % B	десятки тысяч	сотни тысяч	3,2	1,6	1,4
80 % Fe, 16 % P	десятки тысяч	сотни тысяч	4,0	1,49	1,5

 

Частотный диапазон применения ММ в значительной степени определяется их удельным электрическим сопротивлением. При низком ρ велики потери на вихревые токи, а значит и потери на перемагничивание, возраставшее с увеличением частоты, поэтому, чем больше ρ ММ, тем на более высоких частотах он может использоваться. В постоянных и НЧ (до единиц кГц) полях применяют металлические магнитные материалы: технически чистое Fe, кремнистые электротехнические стали, пермаллои, альсиферы, аморфные сплавы (рис.5.20, табл. 5.1).

Технически чистое Fe – это железо, содержащее ограниченное число примесей (прежде всего углерода, кислорода и серы), которые оказывает особенно сильное влияние на магнитную проницаемость.

Широко применяются следующие виды технически чистого Fe: низкоуглеродистая электротехническая сталь, полученная после горячей или холодной прокатки; электролитическое железо; карбонильное железо, полученное путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное Fe, изготавливаемое в виде порошка, применяют в качестве ферромагнитной среды магнитодиэлектриков.

Рассматривая перспективы повышения качества железа, следует отметить, что главнейшая характеристика Fe – B_δ, обусловленная величинами атомных магнитных моментов и обменным взаимодействием, не может быть увеличена. Рост μ в слабых и сильных полях и уменьшение H_C можно достичь для Fe с меньшей концентрацией примесей и дефектов (для сравнения в табл.5.1 приведены параметры полученного в лабораторных условиях монокристалла чистейшего железа).

Кремнистые электротехнические стали – это твердый раствор Si в Fe. Легирование технически чистого Fe кремнием позволяет значительно повысить удельное сопротивление. Выпускаются электротехнические стали различной степени легирования (увеличение параметра или усиление свойства в зависимости от степени легирования показано стрелками):

–слаболегированные	(0,8–1,8 % Si),
–среднелегированные	(1,8–2,8 % Si),
–повышеннолегированные	(2,8–3,8 % Si),
–высоколегированные	(3,8–4,8 % Si),

Значительного улучшения магнитных свойств кремнистых сталей удалось достичь путем образования магнитной текстуры при холодной прокатке с последующим отжигом. В результате получают текстурованную кремнистую сталь, у которой элементарные кристаллические ячейки ориентированы так, что ребра кубов – осей легкого намагничивания – расположены параллельно направлению прокатки. Такую текстуру называют ребровой. Применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. В стали с кубической текстурой наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшую магнитную проницаемость в слабых полях. Поэтому они применяются в РЭА, когда нужно иметь значительные как постоянные, так и переменные магнитные потоки при малых напряженностях поля, что особенно важно в связи с миниатюризацией РЭА (на частотах до нескольких десятков кГц). В табл.5.1 приведены параметры низконикелевых (40–50 % Ni), высоконикелевых (72-80 % Ni) пермаллоев и супермаллоя (79 % Ni, 15 % Fe, 5 % Mn, 0,5 % Mn).

Наряду с основными достоинствами – высоким значением μ_H и малым значением H_C – пермаллоям присущи следующие недостатки:

–большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальной защиты;

–высокие магнитные свойства получают лишь в результате отжига готовых изделий после их механической обработки;

–пониженные значения B_δ;

–сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельных компонентов (прежде всего никеля).

В качестве заменителя пермаллоев был разработан тройной сплав альсифер, оптимальный состав которого 9,6 % Si,5,4 % Al, остальное – Fe. Этот сплав при точном соблюдении состава в лабораторных условиях имеет μ_H =35400, у промышленного альсифера μ_H =6000÷7000. Альсифер применяют в основном в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Магнитомягкие аморфные сплавы, называемые металлостеклами или метглассами, содержат один или несколько переходных металлов – Fe, Со, Ni – в количестве 75–85 % и стеклообразователь – В, С, Si, P – в количестве 15–20 %, а также легирующие металлы Cr, V, Mn и др.

Аморфные сплавы (см. также п.3.14.1, рис.3.16) формируются в результате такой высокой скорости охлаждения жидкостей, при которой частицы не успевают выстроиться в правильную кристаллическую структуру. Поэтому их получают быстрой закалкой расплавов ("выстреливанием" раскаленного расплава на перемещающуюся холодную подложку). Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоев близки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокой коррозионной стойкостью, прозрачностью и твердостью при сохранении пластичности. Аморфные сплавы весьма перспективны, из них изготавливают небольшие трансформаторы, магнитофонные головки и др.