Магнитные характеристики материалов Материалы, способные под действием внешнего магнитного поля намагничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства, называются магнетиками. Основными из них являются железо, никель, кобальт и сплавы на основе технически чистого железа.
Магнитные материалы с ярко выраженными магнитными свойствами называют ферромагнитными, или ферромагнетиками. Поведение ферромагнитного материала в магнитном поле характеризуется начальной кривой намагничивания, показывающей зависимость магнитной индукции В в материале от напряженности магнитного поля Н.
Свойства магнитных материалов оценивают магнитными характеристиками. Абсолютная магнитная проницаемость μа материала представляет собой отношение магнитной индукции В к напряженности магнитного поля Н в заданной точке кривой намагничивания для данного материала и выражается в генри на метр (Гн/м): μа = В/Н, где В – индукция, Тл, Н – напряженность поля, А/м. Относительная магнитная проницаемость μ материала есть отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной: μ = μа / μ 0, где μ 0 – магнитная постоянная – величина, характеризующая магнитное поле в вакууме (μ 0= 1, 256637 · 10 -6 Гн/м), μ – безразмерная величина.
Абсолютная магнитная проницаемость μа применяется только для расчетов. Для оценки же свойств магнитных материалов используют относительную магнитную проницаемость μ, не зависящую от выбранной системы единиц. Ее называют магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость зависит от напряженности магнитного поля. Графики зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля: 1 – для пермаллоя, 2 – для чистого железа
Различают начальную магнитную проницаемость μН и максимальную μМ. Начальную магнитную проницаемость измеряют при напряженностях магнитного поля, близких к нулю. Бόльшие значения μН и μМ показывают, что данный магнитный материал легко намагничивается в слабых и сильных магнитных полях. Температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКμ позволяет оценить характер изменения магнитной проницаемости в зависимости от температуры ферромагнетика. При линейном изменении магнитной проницаемости в узком интервале температур Т 2 – Т 1 ТКμ (1/°C) вычисляют по формуле ТКμ = (μ 2 – μ 1)/ μ 1 (Т 2 – Т 1), где μ 1 и μ 2 – магнитная проницаемость материала соответственно при температурах T 1 и Т 2.
Типичная зависимость магнитной проницаемости от температуры показана на рисунке. Температура, при которой магнитная проницаемость резко снижается почти до нуля, называется температурой Кюри (Тк). При температурах выше Тк процесс намагничивания ферромагнетика расстраивается из-за интенсивного теплового движения атомов и молекул материала, в результате чего он перестает быть ферромагнитным материалом.
Индукция ВS характерная для всех магнитных материалов, называется индукцией насыщения. Чем больше ВS при заданной напряженности, тем лучше данный магнитный материал. На графике, представляющем собой кривую начального намагничивания, видно, что с увеличением напряженности магнитного поля индукция растет вначале быстро, затем медленно, а начиная с ВS, почти не изменяется.
Если образец магнитного материала намагничивать, непрерывно повышая напряженность магнитного поля Н, магнитная индукция В тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания 1. Эта кривая заканчивается в точке, соответствующей индукции насыщения ВS.
При уменьшении напряженности Н магнитная индукция будет также уменьшаться, но начиная с величины ВМ значения индукции не будут совпадать со значениями этой характеристики на начальной кривой намагничивания 1.
Остаточная магнитная индукция Вr наблюдается в ферромагнитном материале при его размагничивании, когда напряженность магнитного поля равна нулю.
Для размагничивания образца материала надо, чтобы напряженность магнитного поля изменила свое направление на обратное – Н. Напряженность поля НС, при которой индукция становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Чем больше коэрцитивная сила, тем материал в меньшей степени способен размагничиваться.
Если после размагничивания образца материала намагничивать его в противоположном направлении, в материале снова будет наблюдаться индукция насыщения – ВS. При дальнейшем уменьшении напряженности магнитного поля до Н = 0 и последующем намагничивании в первоначальном направлении индукция будет непрерывно увеличиваться до ВS. В результате образуется замкнутая петля, которую называют предельной (или статической) петлей гистерезиса (Гистерезис (греч. ) — запаздывание). Предельной петлей гистерезиса называют петлю, снятую при медленном изменении постоянного магнитного поля от +Н до –Н, когда магнитная индукция становится равной индукции насыщения ВS.
Удельные потери энергии на гистерезис Рr – это потери, затрачиваемые на перемагничивание единицы массы материала за один цикл. Удельные потери на гистерезис измеряют в ваттах на килограмм (Вт/кг) магнитного материала. Их величина зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции ВМ. Удельные потери на гистерезис за один цикл определяются площадью петли гистерезиса, т. е. чем больше петля гистерезиса, тем больше потери в материале. Динамическая петля гистерезиса образуется при перемагничивании материала переменным магнитным полем и имеет большую площадь, чем статическая, так как при действии переменного магнитного поля в материале возникают кроме потерь на гистерезис потери на вихревые токи и магнитное последействие, которое определяется магнитной вязкостью материала.
Для оценки формы гистерезисной петли пользуются коэффициентом прямоугольности гистерезисной петли КП – характеристикой, вычисляемой по предельной петле гистерезиса: КП = Br. /BM. Чем больше величина КП, тем прямоугольнее гистерезисная петля. Для магнитных материалов, применяемых в автоматике и запоминающих устройствах ЭВМ, КП = 0, 7 ÷ 0, 9.
Согласно поведению в магнитном поле все магнитные материалы делятся на две основные группы – магнитномягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие материалы характеризуются большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитивной силы (Hс ≤ 4000 А/м) и легко намагничиваются и размагничиваются. Кроме того, они отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая гистерезисная петля (рис. 44, а, б). Петли гистерезиса для магнитно-мягкого (a, б) и магнитно-твердого (в) материалов
Магнитные характеристики магнитно-мягких материалов зависят от их химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в магнитно-мягком материале, тем выше его характеристики, т. е. больше μн и μм, но меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитно-мягких материалов стараются удалить из них наиболее вредные примеси – углерод, фосфор, серу, кислород, азот и различные оксиды. Одновременно стремятся не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений.
Основные сведения о магнитных цепях и их расчете Магнитная цепь представляет собой систему последовательно включенных ферромагнитных и других физических тел, по которым замыкается магнитный поток.
При отсутствии разветвлений магнитного потока магнитная цепь является неразветвленной,
а при наличии последних — разветвленной.
Простейшая магнитная цепь с регулируемым магнитным потоком состоит из магнитопровода с поперечным сечением Sc, на котором равномерно размещена обмотка с числом витков w проводника с током I, под действием которого создается однородное магнитное поле с напряженностью (при средней длине линии магнитопровода lcp = l 1 + l 2 + l 3 + l 4 +…), равной H = w. I / lcp. Соответственно магнитная индукция в сердечнике магнитопровода с относительной магнитной проницаемостью μ составляет В=μН. При этом магнитный поток в сердечнике Ф = BSc = μw. I/lcp. Sc или
Произведение w. I= F называется магнитодвижущей (намагничивающей) силой катушки, а отношение lcp / μSc = Rм — магнитным сопротивлением магнитной цепи. С учетом этого выражение для магнитного потока приводится к виду: Ф = F/Rм. Полученное выражение определяет основной закон магнитной цепи — закон Ома.
В сложных магнитных цепях магнитный поток Ф разветвляется по нескольким направлениям. При этом общий магнитный поток равен алгебраической сумме магнитных потоков в ветвях разветвления: Ф = Ф 1+Ф 2 +. . . +Фk или Это выражение для магнитного потока характеризует первый закон Кирхгофа для магнитной цепи.
На параллельных ветвях разветвленной магнитной цепи с напряженностями магнитного поля Н 1, и Н 2 и средними длинами l 1 и l 2 участков параллельных ветвей магнитные напряжения Н 1 l 1 = Н 2 l 2. При этом магнитный поток распределяется обратно пропорционально магнитным сопротивлениям параллельных ветвей: Ф 1/Ф 2 =RM 2/ RM 1
При наличии последовательной магнитной цепи с несколькими источниками магнитодвижущих сил (с несколькими катушками с током, расположенными на магнитопроводе) в соответствии с законом Ома для магнитной цепи магнитный поток прямо пропорционален алгебраической сумме магнитодвижущих сил, действующих в цепи, и обратно пропорционален сумме магнитных сопротивлений ее участков:
Последнее равенство можно привести к виду: Н 1 l 1 + Н 2 l 2 +. . . = w 1 I 1+ w 2 I 2 +. . . В соответствии с этим второй закон Кирхгофа для магнитной цепи формулируется следующим образом: алгебраическая сумма магнитных напряжений в магнитной цепи равна алгебраической сумме магнитодвижущих сил в этой цепи.
В процессе расчета магнитной цепи с поперечным сечением ее Sс участков по заданному магнитному потоку Ф определяют значения магнитных индукций В=Ф/ Sс на соответствующих ее участках. По кривой намагничивания В(Н) соответствующего ферромагнитного материала магнитопровода и значениям магнитной индукции В определяют напряженности H магнитных полей на участках магнитной цепи. Затем находят магнитные напряжения Hl на участках магнитной цепи и магнитодвижущую силу: F=H 0 l 0 + H 1 l 1 + H 2 l 2 +. . .
При отсутствии воздушного зазора в магнитной цепи слагаемое H 0 l 0=0, при наличии воздушного зазора напряженность магнитного поля в зазоре H 0 = В 0/μ 0, где μ 0 – магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума); В 0 = Ф/SC 0 — магнитная индукция в воздушном зазоре с поперечным сечением SC 0.
Одним из основных элементов конструкции различного рода машин и аппаратов, устройств электроавтоматики, промышленной электроники, вычислительной техники и т. д. является катушка индуктивности. Зависимость Ф(I) при w = const катушки при отсутствии ферромагнитного магнитопровода является линейной. При наличии магнитопровода магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности прочих равных условиях, значительно возрастает, так как при этом магнитный поток создается не только непосредственно проводниками с током катушки (источником внешнего магнитного поля), но и соответствующим ферромагнитным материалом магнитопровода (источником внутреннего магнитного поля).
Учитывая, что магнитная индукция В=μН, определяют магнитный поток катушки: Ф = BSc=μHSc. Отсюда следует, что магнитный поток пропорционален относительной магнитной проницаемости μ среды, которая для ферромагнитных материалов значительно больше магнитной проницаемости других материалов и на несколько порядков выше магнитной проницаемости μ 0 воздуха (вакуума).
С целью уменьшения магнитодвижущей силы F, а следовательно, уменьшения тока I, необходимых для создания заданного магнитного потока Ф, катушки индуктивности снабжаются магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала, чаще всего из электротехнической стали. Так как зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов μ(H) является нелинейной, то зависимость Ф(H) или соответственно В(Н) при наличии магнитопровода оказывается также нелинейной.
При включении катушки индуктивности с магнитопроводом (в общем случае с воздушным зазором δ) под переменное синусоидальное напряжение u(t) = Um sin wt в цепи катушки появляется переменный ток i(t), под действием которого в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток Ф(t).
Основная часть результирующего магнитного потока Фр, создаваемого катушкой индуктивности (основной магнитный поток — Ф), замыкается по цепи магнитопровода, так как его магнитная проводимость во много раз больше магнитной проводимости воздуха, однако незначительная часть результирующего потока (порядка 3— 5%) все же рассеивается и замыкается вокруг отдельных витков катушки индуктивности (поток рассеяния Фσ).
Значение магнитного потока Ф=ВSС определяют по магнитной индукции магнитного поля, которая зависит от напряженности магнитного поля (B=μH). Зависимость В(Н) — кривая намагничивания — является одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов. Кривая, проходящая через начало координат, является основной кривой намагничивания, она получается при одностороннем намагничивании ненамагниченного материала.
При питании катушки индуктивности переменным током ферромагнитный магнитопровод вследствие наличия переменного магнитного потока циклически, с частотой тока, перемагничивается по кривой гистерезиса, обусловленной наличием остаточного магнетизма (остаточной магнитной индукции) Вr и коэрцитивной (задерживающей) силы Hс. В процессе циклического перемагничивания за несколько полупериодов переменного тока устанавливается замкнутая симметричная петля гистерезиса.
На циклическое перемагничивание магнитопровода затрачивается мощность, выделяемая в нем в виде теплоты, которая относится к потерям мощности. Потери мощности на перемагничивание включают в себя потери на гистерезис Рr и потери от вихревых токов Рв, индуцируемых переменным магнитным потоком в металле магнитопровода: Pп = Рr + Рв
Потери мощности на гистерезис, выделяющиеся в единице массы материала магнитопровода, пропорциональны площади, ограниченной статической петлей гистерезиса, определяются по формуле: Рr = Руг f. B 2 m. G где Руг — удельные потери мощности на гистерезис; f — частота питающего тока; Вт — амплитудное значение магнитной индукции; G — масса магнитопровода.
Под действием изменяющегося во времени магнитного потока Ф(t) в магнитопроводе наводятся вихревые токи, вызывающие дополнительные потери мощности и оказывающие размагничивающее действие на магнитопровод. Эти потери пропорциональны площади, равной разности между площадями динамической и статической петли гистерезиса.
Потери мощности от вихревых токов рассчитывают по формуле: Рв = Р f 2 B 2 G уд m где Руд — удельные потери мощности от вихревых токов. Потери мощности на перемагничивание магнитопровода, выделяясь в виде теплоты, приводят к нагреву катушки индуктивности и магнитопровода, что снижает КПД соответствующих электротехнических устройств.
Для уменьшения потерь мощности на гистерезис в качестве материала для магнитопровода используются ферромагнитные металлы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса. Уменьшение потерь мощности на вихревые токи достигается применением для магнитопровода металлов с большим удельным электрическим сопротивлением за счет повышенного содержания кремния, при этом магнитопровод выполняют из набора тонких электрически изолированных друг от друга пластин, что способствует уменьшению индуцированных в каждой пластине вихревых токов, а следовательно, снижению потерь мощности от них.
Скачать презентацию Магнитные характеристики материалов Материалы способные под действием внешнего
Лекция 11 Магнитные цепи.ppt