Температурный коэффициент удельных магнитных потерь. Магнитные потери

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями . Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями p уд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδ м.

С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь - потери на гистерезис и потери на вихревые токи.

Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.

Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.

В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь - дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.

Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.

Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.

Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния

Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.

В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.

Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.

Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.

По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.

Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)

К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10 6 при незначительной коэрцитивной силе H с =0,2 А/м.

Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.

Материалы с постоянной магнитной проницаемостью отличаются узкой петлей гистерезиса. Самым известным материалом с постоянной магнитной проницаемостью является перминвар (состав: 45% Ni, 29,4% Fе, 25% Со и 0,6% Mn). Сплав подвергают отжигу при 1000 °С, после чего выдерживают при 400 - 500 °С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряженности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30-80, которая мало изменяется в поле напряженностью до нескольких сот ампер на метр.

Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).

Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.

Свойства и область применения сплавов со специальными свойствами (термокомпенсационные сплавы, сплавы для изготовления постоянных магнитов на основе металлов)

Материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры используются для температурной компенсации (термокомпенсации ) магнитных цепей. К ним относятся термомагнитные сплавы на основе Ni-Cu, Fe-Ni или Fe-Ni-Сr. Указанные сплавы применяются для компенсации в установках температурной погрешности, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка. Для получения ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости используется свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры вблизи точки Кюри. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100 °С в зависимости от добавок легирующих элементов. Сплав Ni-Cu при содержании 30 % Cu может компенсировать температурные погрешности для пределов температуры от -20 до +80 0 С (рис. 48), а при 40 % Cu - от -50 до +10°С.

-40 0 40 80 120 16О С

Рисунок 48 - Температурная зависимость индукции термомагнитного сплава в магнитном поле напряженностью 8 кА/м

Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe-Ni-Со (компенсаторы). Достоинствамиих являются: полная обратимость свойств в диапазоне изменения температуры от -70 до +70 °С, высокая воспроизводимость характеристик образцов и хорошая механическая обрабатываемость.

Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность магнитных свойств цепей с постоянным магнитом. С ростом температуры магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита падает. Это изменение компенсируется увеличением магнитного сопротивления магнитного шунта.

Известными термокомпенсационными сплавами являются пермаллой с содержанием никеля 30%, в котором значение температуры точки Кюри регулируется небольшими изменениями содержания никеля, а также сплав железа с никелем (30%) и молибденом (2%).

Для изготовления постоянных магнитов используются магнитотвердые материалы, которые отличаются высокими значениями удельной магнитной энергии, а следовательно, и энергетического произведения (ВН) тах. Они, как правило, имеют высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. С точки зрения структуры для них типичны внутренние напряжения и большое количество различных дефектов, которые затрудняют перемещение доменных границ. В ряде случаев в материалах преднамеренно создаются однодоменные области, которые можно перемагнитить только путем изменения направления намагничивания, что требует значительной энергии. Поэтому такие материалы имеют большую коэрцитивную силу.

Самыми старыми материалами для постоянных магнитов являются мартенситные стали. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, несущие названия в соответствии с названием легирующей присадки: хромовые (до 3% Сr), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). В настоящее время доля магнитов, изготавливаемых из мартенситных сталей, составляет менее 10%.

Самое большое количество постоянных магнитов изготавливается из сплавов типа Аl-Ni и Аl-Ni-Co.

Сплавы типа Аl-Ni (альни) являются сплавами железа с никелем (20-30%) и алюминием (11-13%). Они очень тверды и хрупки, поэтому постоянные магниты изготавливаются из них литьем или методами порошковой металлургии. Они обладают анизотропией свойств. Сплавы легируются медью, чем достигается лучшая повторяемость свойств и облегчается обработка. В качестве легирующего элемента используется и титан. Коэрцитивная сила Н c сплавов достигает 50 кА/м, а (ВН) max достигает 12 кДж/м 3 .

Сплавы типа Аl-Ni-Со (альнико) представляют собой сплавы железа с никелем (12-26%), кобальтом (2-40%) и алюминием (6-13%) с добавлением меди (2-8%), титана (0-9%) и ниобия (0-3%) для улучшения свойств. При содержании Со до 15% они изотропны, при большем содержании кобальта они подвергаются термомагнитной обработке и являются анизотропными. Изотропные сплавы имеют (ВН) тах до 16 кДж/м 3 , анизотропные сплавы - до 44 кДж/м 3 . Сплавы с ориентированной кристаллизацией в направлении предстоящего намагничивания имеют (ВН) тах до 83 кДж/м 3 . Сплавы типа альнико в несколько раз дороже сплавов типа альни.

Имеют большое значение и магнитотвердые сплавы типов Fе-Со-Мо, Fе-Со-V, Сu-Ni-Fе (анизотропный), Сu-Ni-Со, Аg-Мn-Аl и др.

Процесс намагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Этумощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называется удельными магнитными потерями P, 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 гистерезисе связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерь P г, Вт/кг, расходуемая на гистерезисе единицей массы материала, определяется формулой

где η – коэффициент, зависящий от природы материала;

B m – максимальная магнитная индукция в течение цикла;

n – показатель степени, имеющий значение в зависимости от B в пределах от 1.6 до 2;

f – частота.

Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти материалы зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи.

где ξ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала, а также его формы.

Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечника (магнитопроводов). С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.

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 запаздывания и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.

Мощность потерь P МП, вызванную магнитным последствием, определяется как разность между удельными магнитными потерями P и суммой потерь на гистерезис P Г и вихревые токи P ВТ:

При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности 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 δ М. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерь tgδ М. На рисунке представлена последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивление r 1 эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции.

Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получим

где ω – угловая частота;

L – индуктивность катушки;

Q – добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.

Уравнение показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки.

Известно, что при воздействии на ферромагнетик магнитным полем фиксированной напряженности Н , значение намагниченности J , а значит, и индукция В , обусловленные этим полем, достигают своих расчетных значений с некоторым запаздыванием. Такое явление называется магнитной вязкостью . Магнитная вязкость является одним из факторов, вызывающим необратимые потери энергии (и, следовательно, разогрев, материала) в ферромагнитном теле; эти потери называются потерями на магнитную вязкость или остаточными потерями.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле также связан с тепловыми потерями части энергии магнитного поля. Потери энергии в форме тепла характеризуются удельными магнитными потерями Р уд. По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические потери .

Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Эти потери пропорциональны площади петли гистерезиса и величине частоты переменного поля. Удельная мощность потерь Р г, расходуемая на гистерезис, определяется:

Р г = h f B мах n , (5.38)

где h - коэффициент, зависящий от свойств материала; B мах - максимальная индукция в течение цикла; n - показатель степени (n = 1,6 - 2,0); f - частота изменения магнитного поля.

Динамические потери вызываются вихревыми токами и потерями на магнитную вязкост ь.

Динамические потери, обусловленные потерями на магнитную вязкость, связаны с отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля.

Потери на вихревые токи вызываются токами, которые индуцируются в магнитном материале за счет изменяющегося магнитного потока: за счет явления электромагнитной индукции, возникает ЭДС. В материале возникают круговые (циркулярные) токи (токи Фуко ). Т.к. ферромагнетики типа стали или нихрома являются проводящими материалами, то значительные токи Фуко приводят к разогреву материала (иногда до сотен градусов Цельсия). Уменьшение электрического сопротивления материала магнетика приводит к возрастанию потерь, и, следовательно, к большему разогреву материала.

Удельная мощность потерь выражается следующим образом

P (f ) = bf B мах 2 , (5.39)

где b - коэффициент, зависящий от типа материала и его формы.

Очевидно, что первоочередной задачей для уменьшения потерь за счет токов Фуко является увеличение удельного сопротивления материала, но это не всегда возможно, например, все сорта стали обладают близкими значениями удельного электрического сопротивления.

Чтобы уменьшить действие вихревых токов и снизить потери на перемагничивание ферромагнетиков, магнитопровод делают не цельным, а собирают его (шихтуют ) из изолированных друг от друга тонких листов стали , плоскости которых располагают параллельно магнитным силовым линиям . В подобной конструкции, во-первых, каждый лист изолирован друг от друга, т.е. сопротивление между ними достаточно велико, и токи Фуко существенно уменьшаются. Во-вторых, за счет правильного выбора ориентации листа стали относительно линий магнитной индукции, в каждом листе сердечника изменяется небольшая часть потока, поэтому ЭДС, индуктируемая в контуре листа, и вихревые токи в нем становятся меньше.

Наконец, величина вихревых токов в листе снижается, потому что пути тока в листе удлиняется, а сечение листа – уменьшается.

Снижения величины вихревых токов добиваются увеличением удельного электрического сопротивления материала сердечника путем введения в электротехнические стали присадки кремния. В этих же целях используют магнитодиэлектрические и ферритовые сердечники.

К дополнительным потерямотносят все потери, отличные от потерь на вихревые токи и гистерезис; они могутбыть обусловлены такими явлениями как магнитная вязкость, резонанс смещения магнитных стенок, резонанс, вызванный анизотропностью и вращением вектора намагниченности и т. п.

Все эти потери представляют собой диссипацию энергии - необратимые потери энергии, рассеиваемой в виде тепла в ферромагнитных материалах. В переменном магнитном поле они определяют дополнительную нагрузку на источник питания электрической цепи. Например, введение магнитного материала (магнитопровода) в обмотку (катушку, соленоид, тороид и т.п.) эквивалентно увеличению электрического сопротивления цепи постоянного тока.

Мощность магнитных потерь (или, просто, магнитные потери ) в магнитопроводе P i (Вт) определяет эквивалентное сопротивление R i :

R i = P i /I 2 , Ом, (5.40)

где I - действующее значение силы тока в цепи, А.

На рис. 5.6 приведены условная электрическая (а) и эквивалентная схема замещения (б), а также векторная диаграмма (в) токов и напряжений.

Тангенс угла магнитных потерь в магнитном материале вычисляется следующим образом:

tgd м = U R /U L = R i /wL = (R г_ + R в + R д)/wL , (5.41)

где R г, R в, R д - эквивалентные сопротивления, обусловленные соответственно, гистерезисом, вихревыми и дополнительными потерями.

Рис. 5.6. Схема (а), эквивалентная схема замещения (б), векторная диаграмма цепи с магнетиком

В переменных полях площадь петли гистерезиса увеличивается за счет потерь на гистерезис Р г, потерь на вихревые токи Р в и дополнительных потерь Р д. Такая петля называется динамической, а суммарные потери полными или суммарными. Потери на гистерезис, отнесенные к единице объема материала (удельные потери) (Вт/м 3)

(8.10)

Эти же потери можно отнести к единице массы (Вт/кг)

(8.11)

где g – плотность материала, кг/м 3

Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой. Для этого путем отжига снимают внутренние напряжения в материале, уменьшают число дислокаций и других дефектов и укрупняют зерна.

Потери на вихревые токи для листового образца

(8.12)

где

B max - амплитуда магнитной индукции, Тл;

f - частота переменного тока, Гц;

d - толщина листа, м;

g - плотность, кг/м 3 ;

r - удельное электросопротивление, Ом. м.

Дополнительные потери или потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи

где J no – намагниченность при t ® ¥ ; t – время релаксации. На рисунке 8.14 показана зависимость напряженности магнитного поля и намагниченности от времени действия магнитного поля. В магнитотвердых магнитных материалах время t магнитной релаксации может достигать нескольких минут. Такое явление называют сверхвязкостью.

Рис.8.14. Зависимость намагниченности J и напряженности Н магнитного материала от времени действия магнитного поля t

Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов (затрата тепловой энергии на передвижения границ слабозакрепленных доменов при изменении поля).

При перемагничивании в переменном поле происходит отставание по фазе В от Н 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.

δ м –угол отставания - угол магнитных потерь.

tg δ м – характеристика динамических свойств магнитных материалов.

Тангенс угла магнитных потерь используют в переменных полях. Его можно выразить через параметры эквивалентной схемы, показанной на рисунке 8.15. Индуктивную катушку с сердечником из магнитного материала представляют в виде последовательной схемы из индуктивности L и активного сопротивления r .

Рис. 8.15. Эквивалентная схема (а) и векторная диаграмма (б) индуктивной катушки с магнитным сердечником

Пренебрегая собственной емкостью и сопротивлением обмотки катушки, получаем

tg d м = r /(w L )

(8.15)

Активная мощность Р а :

Р а =J 2 . w L . tg d м .

(8.16)

Величина, обратная tg d м называется добротностью