Магнитотвердые материалы. Материалы с особыми магнитными свойствами

Ферриты

Неметаллические магнитные материалы на основе твердых растворов оксида железа с оксидами других металлов.

Они применяются в слабых магнитных полях. Поскольку потери на вихревые токи у ферритов незначительные, их применяют в магнитных полях высокой частоты. Предельная частота, при которой происходит резкое увеличение потерь, называется граничной частотой. Величины начальной и максимальной магнитной проницаемости ферритов стабильны в широком диапазоне частот.

Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следующих видов:

1) никель-цинковые.

Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (доля концентрации цинка в феррите х=0,4-0,6) приводит увеличению намагниченности насыщения, индукции и магнитной проницаемости и постоянному уменьшению температуры Кюри.

Работают на частотах до 100 Мгц.

2) марганец-цинковые.

Имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 Мгц, чем никель-цинковые ферриты, что объясняется меньшими потерями на гистерезис. Имеют более высокие температуру Кюри и индукцию насыщения.

Работают на частотах до единиц Мгц.

3) литиевые (литий-цинковые).

Имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 Мгц.

Маркируются магнитотмягкие ферриты следующим образом: на первом месте примерное значение магнитной проницаемости, затем идут буквы, определяющие частотный диапазон. Ферриты для частот 0,1-50 Мгц обозначают буквой Н (низкочастотные), для диапазона 50-600 Мгц высокочастотные ферриты обозначаются ВЧ. Далее в маркировке следую буквы, означающие состав материала: М - марганец-цинковые, Н- никель-цинковые и т.д. никель-цинковые ферриты маркируются также маркой ВЧ. (20000НМ, 600НМ, 150ВЧ

Для оценки допустимого частотного диапазона, где может быть использован ферритовый материал, вводят понятие критической частоты f_кр, тангенс угла магнитных потерь при которой достигает значения 0,1.

К магнитотвердым материалам относятся магнитные материалы с широкой гистерезисной петлей и большой коэрцитивной силой Нс > 4 кА/м (от 5·10³ до 5·10⁶ А/м). Они трудно намагничиваются, но способны длительное время сохранять намагниченность.

Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоянных магнитов, магнитные системы и изделия: роторы и статоры электрических машин, магнитные системы для аппаратов, измерительных приборов и т.д..

Основными характеристиками магнитотвердых материалов являются коэрцитивная сила Нс, остаточная индукция Вr, максимальная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее пространство ω_max.

Магнитная проницаемость μ магнитотвердых материалов значительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т.е. чем выше его коэрцитивная сила Нс, тем меньше его магнитная проницаемость.

К магнитотвердым материалам относятся:

1) железо-никель-алюминиевые нековкие сплавы дисперсионного твердения – литые магниты;

2) ковкие сплавы на основе железа, кобальта и ванадия или на основе железа, кобальта, молибдена;

3) сплавы, закаливаемые на мартенсит (стали легированные хромом, вольфрамом или кобальтом) – мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, который получают при быстром ее охлаждении (закалке). Образование мартенсита (200˚С), который имеет пластинчатую форму, сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений, что приводит к появлению большой коэрцитивной силы;

4) сплавы с очень большой коэрцитивной силой на основе благородных металлов: платина-железо, серебро-марганец-алюминий и др.;

5) металлокерамические материалы, получаемые прессованием порошкообразных компонентов с последующем обжигом отпрессованных изделий (магнитов);

6) магнитотвердые ферриты;

7) металлопластические материалы, получаемые из прессованных порошков магнитотвердого материала и связующего вещества – синтетических смол;

8) магнитоэластичные материалы (магнитоэласты), состоящие из порошка магнитотвердого материала и эластичного связующего (каучук, резина).

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следовательно на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Нd, снижающее индукцию внутри магнита до Вd, которая меньше остаточной индукции Вr. Остаточная индукция Вr характеризует материал, если магнит находится в замкнутом состоянии и предварительно намагничен до насыщения в сильном внешнем магнитном поле.

Свойства магнитотвердых материалов характеризуют кривые размагничивания и магнитной энергии в воздушном зазоре.

Рис.1 Кривые размагничивания и магнитной энергии в воздушном зазоре.

Удельная магнитная энергия (Дж/м3) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита:

W_d = В_d·Н_d /2

Индукция разомкнутого магнита В_d уменьшается с увеличением зазора. При замкнутом магните В_d= В_r - магнитная энергия равна нулю, так как Н_d=0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала Нс, а В_d=0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d =0. При некоторых значениях В и Н энергия достигает максимального значения. Максимальная удельная магнитная энергия Wмах является важнейшим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов, Дж/м²:

Wмах = (В_d·Н_d)_мах /2

Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости

γ =(В_d·Н_d)_мах /(В_r·Н_с)

Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция В_r, коэрцитивная сила Н_с и коэффициент выпуклости.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индукции Вr, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции для данного материала В_max, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции (К^-1):

(В_r)₂ - (В_r)₁

ά_В = --------------------,

(В_r)₁· (Т₁-Т₂)

где (Вr)₁ и (Вr)₂ – значения остаточной индукции при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.