Магнитная вязкость и вихревые токи

Описанная выше петля гистерезиса соответствует медленным (квазиравновесным, квазистатическим) процессам. При динамическом (неравновесном) намагничивании образца зависимость M (H) характеризуется динамической ПГ, которая обычно шире статической. При неравновесном процессе потери энергии больше. Дополнительные динамические потери связаны с магнитной вязкостью (неуспевание роста намагниченности за изменением магнитного поля, связанное с диффузионными и термофлуктуационными явлениями, приводящими к экспоненциальной зависимости M от времени), вихревыми токами в проводниках и другими явлениями. То есть процессы намагничивания и перемагничивания зависят не только от внешнего магнитного поля, но и от скорости его изменения.

Размагничивающим действием обладают вихревые токи (токи Фуко), возникающие при движении доменной стенки. Их создает электрическое поле, индуцируемое в тех областях, в которых изменяется направление намагниченности. Напряженность электрического поля и плотность вихревых токов зависят от скорости движения доменной стенки. Они определяются условием иметь в каждый момент времени в неперемагниченном объеме напряженность результирующего магнитного поля не больше H _c. Именно под влиянием вихревых токов и магнитной вязкости динамическая петля гистерезиса с возрастанием частоты приобретает эллиптический характер. Характеристиками динамической петли являются: зависимость максимального значения индукции B _max от максимального значения напряженности поля H _max для семейства симметричных динамических петель гистерезиса; амплитудная (динамическая) относительная магнитная проницаемость:

(10)

Явление магнитной вязкости может определяться электронными и ионными эффектами в ферромагнетике. Электронные эффекты связаны с перераспределением электронной плотности 3d- и 4s-под­уровней. Ионные эффекты связаны со структурными изменениями в кристаллической решетке.

Для многих материалов в качестве справочной характеристики приводятся удельные потери мощности (например, р _1,0/50 – потери на частоте 50 Гц при индукции, равной 1 Тл) и значение тангенса угла потерь. Обязательно указание толщины ленты или пластины. Это связано с влиянием поверхностных эффектов в образцах конечного размера, приводящих к неравномерности распределения электромагнитного поля.

Влияние различных факторов на магнитные свойства

При описании магнитных свойств материалов целесообразно разделить все характеристики на чувствительные и не чувствительные к различным воздействиям. Наиболее существенно влияют: химический состав (изменение процентного содержания легирующих компонентов или наличие примесей), изменение температуры в эксплутационных условиях, внутренние механические напряжения, форма изделия, частота перемагничивания. Качественное влияние различных факторов на магнитные характеристики схематически показано в табл. 2.

 

Таблица 2

Зависимость магнитных свойств от различных факторов

Влияющий фактор	Магнитная характеристика
mнач	mmax	M s	B r	H c	w г	tgd
Изменение основного химического состава	­¯	­¯	­¯	­¯	­¯	­¯	­¯
Примеси	¯	¯	нет	­¯	­	­	Нет
Упругие деформации: а) растяжение	¯	­	­	¯	¯
б) сжатие	¯	¯	¯	­	­
Пластические деформации: а) растяжение	¯	¯	¯	­	­
б) сжатие	¯	­	­	¯	¯
Направленная кристаллизация	­¯	­¯	­¯	­¯	­¯
Рост температуры	­¯	­¯	¯	¯	¯
Предварительное намагничивание	¯	¯	¯	¯	¯
Повышение частоты	¯	¯	­	­	­	­
Отжиг (рост размера зерна)	­	­	­	¯	¯	­

 

Примечание. ­ – возрастание; ¯ – падение; нет – практически не изменяется.

 

Все магнитные свойства, а именно: кривая намагничивания, магнитная проницаемость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, потери энергии при перемагничивании и др. – связаны со значением намагниченности насыщения. Перечисленные магнитные свойства существенно зависят от кристаллографической структуры магнитного материала. Из-за этой резкой зависимости магнитные свойства называют структурочувствительными, намагниченность насыщения же практически не зависит от изменения кристаллографической структуры.

3. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение начальной относительной магнитной проницаемости m_нач, способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях, т. е. обладают малой коэрцитивной силой H _c и имеют малые потери при перемагничивании p вдоль направления магнитопроводов.

Магнитомягкие материалы используются в основном для изготовления магнитопроводов переменного магнитного поля. Применяются в электроэнергетике, электромашино- и моторостроении, в электро- и радиотехнической промышленности, измерительной и вычислительной технике, системах автоматики и телемеханики. К магнитомягким материалам относят металлические: ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали (нелегированные и кремнистые), магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Fe₂O₃; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферримагнетика в диэлектрической матрице.

3.1. Материалы для работы в широком диапазоне изменения магнитной индукции

В материалах, работающих в широком диапазоне изменения магнитной индукции, при эксплуатации часто используют всю петлю магнитного гистерезиса (на низких частотах). Назначение: машины постоянного и переменного тока, силовые трансформаторы, силовая коммутирующая аппаратура.

Такие материалы (технически чистое железо, электротехнические стали, магнитомягкие сплавы) должны обеспечивать:

- хорошую магнитную связь между элементами устройств;

- значительный магнитный поток при минимальном использовании магнитного материала;

- минимальные потери на перемагничивание.

Приведенные выше требования выполняются:

- выбором рабочей точки, соответствующей максимальной магнитной проницаемости m_max (см. рис. 8, формулу (9));

- использованием материалов с большой индукцией насыщения B _s (см. рис. 5 и 6), основным компонентом которых является железо;

- выбором материалов с соответствующим комплексом значений различных магнитных свойств.

Так, потери на гистерезис (8) зависят от величины коэрцитивной силы H _c, которая должна быть невелика (для магнитомягких материалов H _c < 800 А/м); потери на вихревые токи тем меньше, чем выше удельное электросопротивление материала r. С целью повышения электросопротивления используют легирование низкоуглеродистых сталей кремнием от 0,5 до 4 %, однако возрастание удельного электросопротивления при легировании ограничено свойствами основного материала. Влиять на электрическое сопротивление R можно также изменением формы материала, например, толщиной листа d: чем тоньше лист, тем больше электрическое сопротивление вдоль плоскости листа:

R = ρ(ℓ / s), (11)

где ℓ - длина проводника (листа); s = b δ - площадь его поперечного сечения; b - ширина листа. Уменьшение d также благоприятно с той точки зрения, что средний размер зерна d ₁ может стать больше d, а это приведет к уменьшению коэрцитивной силы. Однако уменьшение толщины листа ограничивается экономическими соображениями (дополнительные затраты на прокатку).

3.2. Материалы для работы в слабых полях

Область применения материалов для работы в слабых полях (электротехнические стали, магнитомягкие сплавы, ферриты, магнитодиэлектрики) показана на рис. 9.

 

Рис. 9. Область использования магнитомягких материалов, работающих в слабых полях

Область работы заштрихована.

 

На основе этих материалов изготавливается высокочувствительная аппаратура, работающая в переменных полях высокой частоты: аппаратура приема-передачи информации; малогабаритные трансформаторы и дроссели, дефектоскопы, магнитные экраны.

В отличие от силовых аппаратов, где основное внимание уделяется индукции и потерям в области насыщения, здесь качество аппаратуры зависит от m_нач. Поэтому такие материалы должны удовлетворять требованиям малых потерь на гистерезис и вихревые токи. Эти требования удовлетворяются наличием узкого гистерезисного цикла и большой крутизны зависимости B (H) в слабых магнитных полях, высоким значением начальной магнитной проницаемости и минимальными константами магнитострикции и анизотропии.

3.3. Материалы с прямоугольной петлей
гистерезиса

Область работы материалов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) показана на рис. 10.

 

Рис. 10. Область работы магнитомягких материалов прямоугольной петлей гистерезиса

Область работы заштрихована.

 

Эти материалы (магнитомягкие сплавы, ферриты) используются при изготовлении магнитных усилителей, бесконтактных реле, коммутационных дросселей, элементов вычислительной техники и должны отвечать следующим требованиям:

- надежность и достоверность записи и воспроизведения информации;

- минимальное время переключения;

- большой коэффициент усиления.

Эти требования выполняются за счет:

- узкого гистерезисного цикла (малое значение коэрцитивной силы H _c);

- большого коэффициента прямоугольности a_п = B _r / B _max;

- большого коэффициента квадратичности

R _s = B (–½ H _max) / B (+ H _max);

- высокой магнитной проницаемости m;

- высокого электросопротивления r.

Причем для коммутационной аппаратуры магнитные материалы должны иметь:

- большую остаточную магнитную индукцию B _r;

- крутую кривую от + B _r к - B _max для обеспечения значительной скорости изменения индукции;

- малые значения H _c и .

От магнитных материалов для бесконтактных реле и запоминающих устройств требуются:

- большой коэффициент прямоугольности a_п;

- большое приращение индукции при перемагничивании;

- минимальное время переключения

t_s = 10m B _maxd² / r(H _max – H _c), где d – толщина материала.

Материалы, используемые в магнитных усилителях, должны обладать:

- коэффициентом прямоугольности a_п» 1;

- крутым спадом петли магнитного гистерезиса.

3.4. Материалы для магнитопроводов
релейных и импульсных устройств

В удовлетворении требований, предъявляемых к магнитопроводам импульсных устройств (например, импульсных трансформаторов), важную роль играет большая величина относительной импульсной магнитной проницаемости m_и = (B _max – B _r) / m₀ H _max. Обеспечивается это высокой индукцией насыщения и малой остаточной индукцией используемых материалов, область работы которых показана на рис. 11.

При использовании материалов с ППГ большой эффект дает подмагничивание полем противоположной полярности (– H ₀, см. рис. 11). При воздействии униполярного импульса это приводит к изменению индукции D B '', намного превосходящему изменение D B ' при отсутствии подмагничивающего поля. Иногда для получения требуемого значения m_и в устройство вводят воздушный зазор, приводящий к уменьшению эффективного значения остаточной индукции при сохранении на прежнем уровне B _max.

 

Рис. 11. Область работы магнитомягких материалов для релейных и импульсных устройств

Область работы заштрихована.

 

В качестве материалов, удовлетворяющих требованию высокого значения m_и, используются, например, железоникелевые сплавы и марганцево-цинковые и никель-цинковые ферриты.

К материалам для магнитопроводов релейных устройств предъявляются особые требования: надежность срабатывания и отпускания; быстродействие. Для обеспечения надежности срабатывания материалы должны иметь высокую намагниченность при малых полях. Надежность отпускания определяется коэрцитивной силой материала, а быстродействие зависит от удельного электросопротивления.

Для контакторов, в которых силы магнитного поля преодолевают большие противодействующие усилия и на первый план выдвигаются критерии надежности срабатывания и отпускания, используются малоуглеродистая сталь или технически чистое железо. В чувствительных реле высокого быстродействия большую роль играют надежность отпускания и быстродействие. Здесь находят применение железоникелевые сплавы и магнитомягкие ферриты.

Там, где должны учитываться все три требования (например, в нормальных коммутационных реле переменного тока), в качестве магнитного материала используют низколегированную электротехническую сталь, учитывая ее стоимость, технологичность и срок службы.

3.5. Материалы специального назначения

К материалам специального назначения относятся: термомагнитные, магнитострикционные, коррозионностойкие.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: