Техническое намагничивание

Важнейшей характеристикой ферромагнетиков является основная кривая намагничивания, описывающая зависимость магнитной индукции В (намагниченности J) от напряженности магнитного поля Н для предварительно размагниченного образца, а также зависимость магнитной проницаемости m от напряжённости магнитного поля Н и предельная петля магнитного гистерезиса. Для практических случаев было бы целесообразным использовать теоретическую зависимость B(H), которая отражала физические процессы происходящие при намагничивании ферромагнетиков. Поскольку процессы намагничивания сложны и разнообразны, то определить такую зависимость в общем виде затруднительно. В некоторых случаях применяют аппроксимирующую функцию в виде полиномов. Однако это будет справедливо лишь для частного случая. На рис. 4.1 представлены кривые зависимости В и m от напряжённости магнитного поля Н для предварительно размагниченного образца ферромагнетика. На кривых этих зависимостей можно выделить четыре характерных участка.

 

 

 

Рис. 4.1. Основная кривая намагничивания (зависимость В от Н ) и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н.

 

I участок - это область самых слабых магнитных полей (Н® 0); он характеризуется линейной зависимостью В от Н и постоянным значением m. На этом участке происходит увеличение объёма (рост) тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наименьшие углы с направлением внешнего магнитного поля; их рост происходит за счет доменов, у которых эти углы наибольшие. Рост доменов происходит путём обратимого смещения их границ. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом обратимого смещения границ доменов. На этом участке суммарная намагниченность образца становится отличной от нуля, и материал характеризуется начальной магнитной проницаемостью m_H. Её определяют экспериментально в полях с H = 0,1 А/м. Величина m_H является удобной характеристикой материала сердечников высокочастотных катушек индуктивности, работающих, как правило, в полях с невысокой напряжённостью. После снятия внешнего магнитного поля границы доменов снова возвращаются в прежнее положение, поэтому остаточная намагниченность не возникает.

II участок — это область слабых магнитных полей; он характеризуется крутым подъёмом В и m при увеличении Н. В конце этого участка магнитная проницаемость проходит через максимум и представляет собой максимальную магнитную проницаемость m_М. Величина m_М является удобной характеристикой материала сердечников реле, дросселей, трансформаторов и др., работающих в полях повышенной напряжённости (конец II - начало III участка). На этом участке границы доменов перемещаются на большие расстояния, а сам процесс перемещения границ доменов необратим, т. е. после снятия внешнего магнитного поля доменная структура не возвращается в исходное состояние, и образец сохраняет какую-то техническую намагниченность. Поэтому процесс намагничивания на этом участке называют процессом необратимого смещения границ доменов. Переориентация спиновых магнитных моментов внутри доменов происходит не постепенно, а скачкообразно. К концу этого участка границы доменов исчезают, и образец превращается в однодоменный, вектор намагниченности которого совпадает с направлением лёгкого намагничивания и составляет наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля.

III участок - это область средних полей; он характеризуется небольшим увеличением В и значительным уменьшением m. Процесс намагничивания на этом участке заключается в постепенном повороте вектора намагниченности образца до полного совпадения с направлением внешнего магнитного поля Н. Поэтому этот процесс называют процессом вращения вектора намагниченности. В конце этого участка при Н=Н_S намагниченность J материала достигает значения намагниченности технического насыщения J_S или можно сказать, что магнитная индукция В материала достигает значения индукции технического насыщения B_S. Магнитная проницаемость на этом участке значительно снижается, так как напряженность поля Н увеличивается, а магнитная индукция В изменяется незначительно.

IV участок — это область сильных магнитных полей; он характеризуется незначительным возрастанием индукции В с увеличением напряжённости магнитного поля H приближением значения магнитной проницаемости m  к единице. Увеличение магнитной индукции B на этом участке происходит в результате парапроцесса. Парапроцесс заключается в гашении сильным полем дезориентирующего действия теплового поля. Дело в том, что абсолютно строгую ориентацию всех спиновых магнитных моментов атомов внутри домена можно получить только при температуре абсолютного нуля, когда отсутствует дезориентирующее действие теплового движения. По мере повышения температуры дезориентация спиновых магнитных моментов атомов возрастает. Дезориентирующее действие теплового движения компенсируется ориентирующим действием внешнего магнитного поля. В этом и заключается парапроцесс. Парапроцесс имеет место и в слабых полях, но здесь он перекрывается процессами смещения и вращения. В сильных полях, когда индукция В достигла значения индукции технического насыщения B_S, парапроцесс проявляется более отчётливо.

В реальных ферро- и ферримагнетиках различные виды процессов намагничивания накладываются друг на друга. На процесс намагничивания, кроме того, влияют магнитострикция, механические напряжения, дефекты структуры и ряд других причин.

Если предварительно размагниченный образец подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (рис. 4.2). При Н=Н_S индукция достигнет значения технического насыщения или коротко - индукции насыщения В_S.

Отрезок АБ является безгистерезисной частью зависимости В(Н). Если теперь начать уменьшать напряженность поля Н, то намагниченность образца будет уменьшаться по кривой Б-А-В_r, и при H =0 индукция В не будет равна нулю. Эта индукция называется остаточной индукцией и обозначается В_r; с ней связано существование постоянных магнитов.

 

 

Рис. 4.2. Предельная петля магнитного гистерезиса.

Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании при H =0 магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего поля.

Для того чтобы полностью размагнитить образец, к нему необходимо приложить поле определенной напряжённости и противоположное по знаку. Напряженность такого поля называется коэрцитивной силой и обозначается H_C. При дальнейшем возрастании отрицательного поля индукция становится также отрицательной и в точке. А' при H=-H_S достигает значения индукции технического насыщения (В=-В_S). Если теперь уменьшать отрицательное поле, а затем увеличивать положительное поле кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлёй магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса — это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от + H_S до - H_S, и обратно. Пользуясь предельной петлёй магнитного гистерезиса можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу H_C, индукцию насыщения B_s остаточную индукцию В_r и др. Площадь этой петли пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание образца за один цикл; она пропорциональна потерям на гистерезис. Из рис. 4.2 также видно, что в координатах В(Н) при Н<Н_S (или B<B_S) проявляется целое семейство петель магнитного гистерезиса, заключенных одна в другую.

Поскольку ферримагнетики также обладают доменной структурой, поэтому рассмотренные процессы намагничивания и размагничивания (рис. 4.2) происходят в них аналогичным образом.

Коэрцитивная сила H_C является важной технической характеристикой магнитных материалов. Она, так же как и магнитная проницаемость m , зависит от суммарной удельной поверхности зёрен, магнитной анизотропии, магнитострикции, механических напряжений, наличия примесей и других дефектов. Чем больше значение этих величин и меньше однородность структуры, тем больше H_C и меньше m. Объясняется это тем, что поверхность зёрен более дефектна, имеет более высокие внутренние напряжения кристаллической решётки, чем само зерно. Внутренние напряжения и дефекты при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации их магнитных моментов в направлении поля. В результате H_C возрастает, а m  снижается. С уменьшением же размера зёрен, их суммарная удельная поверхность возрастает. Величину суммарной удельной поверхности зёрен можно изменять механической и термической обработкой материалов. Материал, подвергнутый закалке или холодной деформации (прокатке, волочению и т. п.), образует мелкозернистую структуру, которая обладает большой суммарной удельной поверхностью зёрен и соответственно большой H_C и малой m. Материал, подвергнутый отжигу, наоборот, образует крупнозернистую структуру с небольшой суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно с небольшой H_C и с высокой m . Кроме того, при закалке деформируется кристаллическая решетка и возрастает концентрация дефектов и внутри зёрен, а при отжиге идет обратный процесс, что также приводит к изменению значений H_C и m. Коэрцитивная сила листового ферромагнетика также увеличивается при уменьшении его толщины h (рис. 4.3), так как при уменьшении толщины измельчается зерно и увеличивается суммарная удельная поверхность зёрен и возрастает концентрация дефектов внутри зёрен.

Таким образом, если точка Кюри и индукция насыщения зависят только от химического состава магнитных материалов, то такие характеристики как коэрцитивная сила H_C, магнитная проницаемость m и площадь петли гистерезиса являются структурно чувствительными. Поэтому, чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решётки материала (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше H_C и больше m, а материал соответственно легче намагничивается и перемагничивается.

 

Рис. 4.3. Зависимость коэрцитивной силы H_C трансформаторной стали от толщины hлиста.

 

 

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Граница этого раздела по значению H_C условная. Материалы, у которых H_C <4 кА/м, относят к магнитомягким, у которых H_C >4 кА/м - к магнитотвёрдым (ГОСТ 19693-74). Для магнитомягких материалов характерным является малое значение коэрцитивной силы; у промышленных образцов наименьшая H_C = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряжённостях поля. Намагничивание происходит в основном за счёт смещения доменных границ. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции. Это легконамагничивающиеся материалы.

Магнитомягкие материалы применяют в производстве сердечников катушек индуктивности, реле, трансформаторов, электрических машин и т. п., работающих в постоянном и переменном магнитных полях.

Для магнитотвёрдых материалов характерным является широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой; у промышленных образцов наибольшая H_C примерно равна 800 кА/м. Магнитная проницаемость m меньше, чем у магнитомягких материалов. У магитотвердых материалов большая максимальная удельная магнитная энергия W_M, отдаваемая в пространство; она пропорциональна произведению наибольших значений В и H на кривой размагничивания. Намагничиваются эти материалы с трудом, но зато длительное время сохраняют сообщённую энергию. Намагничивание происходит в основном за счёт вращения вектора намагниченности. Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов, в электрических машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и видео информации и др.

Термины "магнитомягкие" и "магнитотвёрдые" не являются характеристикой механических свойств материалов. Существуют механически мягкие, но магнитотвёрдые материалы и, наоборот, механически твёрдые, но магнитомягкие материалы.

Магнитная проницаемость

При расчёте магнитных полей в электрических машинах особую роль играет магнитная проницаемость. Выше были даны понятия о магнитной проницаемости: относительной m, абсолютной m_a, начальной m_Н и максимальной m _M. Значения характеристик m, ma,m_Н,m_M можно получить, используя основную кривую намагничивания (рис. 4.4). Из этой кривой они определяются как тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс. Относительная магнитная проницаемость или просто магнитная проницаемость для любой точки на кривой зависимости В(Н) будет равна тангенсу угла наклона прямой, проведенной через эту точку, к оси абсцисс, т.е.

 

, (4.1)

где a - угол наклона прямой ОА к оси абсцисс; m_B, m_H - масштабы по осям В и Н соответственно.

Магнитные проницаемости начальная m_H и максимальная m_M являются частными случаями магнитной проницаемости m, полученной из графика рис. 4.4 и формулы 4.1, и представляет собой тангенс угла наклона касательной на начальном участке кривой зависимости В от H (для m_H) и наклона прямой, проведенной из начала координат в точку верхнего перегиба кривой для m_M, т. е.

 

, (4.2)

 

. (4.3)

 

Рис 4.4. Определение магнитной проницаемости.

 

Рассмотренные выше магнитные характеристики относились к случаям намагничивания и размагничивания, происходящими под действием постоянного поля, и они являются статическими.

При намагничивании переменным полем петля гистерезиса, которая характеризует затраты энергии за один цикл перемагничивания, расширяется (увеличивается её площадь). Такую петлю гистерезиса называют динамической, зависимость В(Н) - динамической кривой намагничивания, а отношение амплитудного значения индукции B_M к амплитудному значению напряжённости магнитного поля H_M — динамической (амплитудной) магнитной проницаемостью

. (4.4)

На кривой зависимости B _~ от H, так же как на кривой зависимости m(H), можно видеть динамическую магнитную проницаемость начальную и максимальную.

С увеличением частоты магнитного поля динамическая магнитная проницаемость m _~ снижается (рис. 4.5). Частота, при которой резко уменьшается магнитная проницаемость и возрастает tgd  магнитных потерь (см. п 4.3), индивидуальна для каждой марки магнитного материала; её называют критической частотой fкр. Установлено, что при прочих равных условиях, чем выше начальная магнитная проницаемость, тем меньше граничная частота. Снижение магнитной проницаемости на высоких частотах объясняется инерционностью магнитных процессов и резонансом доменных стенок.

При использовании магнитных материалов одновременно в постоянном H₀ и переменном H_~ магнитных полях их магнитные свойства характеризуют величиной дифференциальной магнитной проницаемости m_диф:

 

. (4.5)

Величина m_диф характеризуется тангенсом угла между осью абсцисс и касательной к основной кривой намагничивания в данной точке (см. рис. 4.4). При определении величины m_диф необходимо условие H₀ >>H С увеличением H₀m_диф уменьшается.

Рис. 4.5. Зависимость динамической начальной магнитной проницаемости от частоты для пермаллоев (1 -6) и ферритов (7-9). 1-81НМА; 2 - 80НХС; 3 - 79НМ; 4 - 50НХС; 5 - 50Н; 6 - 50НХС (Толщина образцов 1-5 0,2 мм, образца 6 h=0,02 мм); 7 - оксифер-2000; 8 -оксифер-1000; 9 - оксифер-400.

 

Магнитные потери

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_M, 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 Р_Г расходуемая на гистерезис единицей массы материала, определяется формулой:

, (4.6)

 

где h - коэффициент, зависящий от природы материала; B_M - максимальная магнитная индукция в течение цикла; n - показатель степени, имеющий значение в зависимости от В в пределах от 1,6 до 2; f - частота.

Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой (узкой петлёй гистерезиса). Для этого путём отжига снимают внутренние напряжения, уменьшают число дислокаций и др. дефектов и укрупняют зерно.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцирует 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 Р_ВТ, расходуемая на вихревые токи единицей массы, в общем виде определяется формулой:

, (4.7)

где x — коэффициент, зависящий от природы магнитного материала (в частности, от его удельного сопротивления), а также его формы.

Для листовых образцов магнитного материала Р_ВТ равна:

 

, (4.8)

где В_М - максимальная магнитная индукция в течение цикла, Тл; f - частота переменного тока, Гц; h -толщина листа, м; r - удельное электрическое сопротивление, Ом-м; d - плотность материала, кг/м³.

Поскольку величина Р_ВТ зависит от квадрата частоты, поэтому 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.

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 (формулы 4.6 - 4.8), 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 определённая 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 Р_{М.П ,} вызванная магнитным последействием, нельзя рассчитать аналитически, её обычно определяют как разность между удельными магнитными потерями Р и суммой потерь на гистерезис Р_Г и вихревые токи Р_В.Т

Р_М.П=P-(Рг+Р_B.Т). (4.9)

При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряжённости 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 d_М. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tg d_М. Эквивалентная схема главного полюса электрической машины может быть представлена в виде последовательно соединенных индуктивности и активного сопротивления. Активное сопротивление г₁ эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции. Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и её собственной ёмкостью, то можно показать, что

, (4.10)

где v- угловая частота; L - индуктивность катушки; Q - добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.

Уравнение (4.10) показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности.

Индукцию, возникающую в магнитном материале под действием магнитного поля, можно представить в виде двух составляющих: B_M1 и B_M2. B_M1 совпадает по фазе с напряжённостью поля B_M1=B_M Cosd. При этом B_M1 связана с обратимыми процессами превращения энергии при перемагничивании, а В_M2 - с необратимыми. Для характеристики магнитных свойств материалов, применяемых в цепях переменного тока, наряду с другими характеристиками используют комплексную магнитную проницаемость m_j , которая равна

m_j=m’+jm”, (4.11)

где j – мнимая единица; m ’ – вещественная часть, её называют упругой магнитной проницаемостью

m'=B_M1/(m₀H_M); (4.12)

m ” – мнимая часть, её называют вязкой магнитной проницаемостью, или проницаемостью потерь

m”=B_M2/(m₀H_M). (4.13)

Отношение m’/m” является тангенсом угла магнитных потерь

tg d_M =m”/m’.  (4.14)

 

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: