Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   Большой образовательный сайт для электриков. Мир электричества.
Электротехника, электроника и автоматика в простом и доступном изложении.

Искать в Школе для электрика:
 
 

 

Справочник электрика / Электротехнические материалы

 

Магнитные материалы, применяемые для изготовления электрических аппаратов




Магнитные материалы, применяемые для изготовления электрических аппаратовДля изготовления магнитопроводов в аппаратостроении и приборостроении применяются следующие ферромагнитные материалы: технически чистое железо, качественная углеродистая сталь, серый чугун, электротехническая кремнистая сталь, железоникелевые сплавы, железокобальтовые сплавы и др.

Рассмотрим кратко некоторые их свойства и возможности применения.

Технически чистое железо

Для магнитных цепей реле, электроизмерительных приборов, электромагнитных муфт, магнитных экранов и т. п. широко используется технически чистое железо. Этот материал имеет очень малое содержание углерода (меньше 0,1%) и минимальное количество марганца, кремния и других примесей.

К таким материалам обычно относят: армко-железо, чистое шведское железо, электролитическое и карбонильное железо и т. п. Качество чистого железа зависит от незначительных долей примеси.

Наиболее вредное влияние на магнитные свойства железа оказывают углерод и кислород. Получение химически чистого железа сопряжено с большими технологическими трудностями и является сложным и дорогим процессом. Специально разработанная в лабораторных условиях технология с двукратным высокотемпературным отжигом в водороде позволила получить монокристал чистого железа с исключительно высокими магнитными свойствами.

Наибольшее распространение нашла сталь типа армко, полученная мартеновским способом. Этот материал имеет достаточно высокую магнитную проницаемость, значительную индукцию насыщения, сравнительно невысокую стоимость и вместе с тем обладает хорошими механическими и технологическими свойствами.

Электромагнитное реле

Низкое электрическое сопротивление стали армко прохождению вихревых токов, увеличивающих время срабатывания и отпускания у электромагнитных реле и муфт, принято считать крупным недостатком. В то же время при использовании этого материала для электромагнитных реле времени это свойство, наоборот, является положительным фактором, так как позволяет получить исключительно простыми средствами сравнительно большие замедления работы реле.

Промышленность производит три марки листовой технически чистой стали типа армко: Э, ЭА и ЭАА. Они отличаются величинами максимальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы.

Технически чистое железо

Углеродистые стали

Углеродистые стали выпускаются в виде прямоугольных, круглых и других сечений, из них также отливаются детали различного профиля.

Серый чугун

Для магнитных систем серый чугун, как правило, не применяется вследствие плохих магнитных свойств. Использование его для мощных электромагнитов может быть оправдано экономическими соображениями. Он также применяется для оснований, плат, стоек и других деталей.

Чугун хорошо отливается и легко обрабатывается. Ковкий чугун, специальным образом отожженный, а также некоторые сорта серого легированного чугуна обладают достаточно удовлетворительными магнитными свойствами.

Магнитная система контактора

Электротехнические кремнистые стали

Тонколистовая электротехническая сталь получила широкое применение в электроприборостроении и аппаратостроении и используется для всевозможных электроизмерительных приборов, механизмов, реле, дросселей, феррорезонансных стабилизаторов и других устройств, работающих на переменном токе с нормальной и повышенной частотой. В зависимости от технических требований к потерям в стали, магнитным характеристикам и применяемой частоте переменного тока выпускается 28 марок тонколистовой стали толщиной от 0,1 до 1 мм.

Для увеличения электрического сопротивления вихревым токам в состав стали добавляется различное количество кремния и в зависимости от его содержания получают: слаболегированные, среднелегированные, повышеннолегированные и высоколегированные стали.

При введении кремния потери в стали уменьшаются, магнитная проницаемость в слабых и средних полях возрастает, а коэрцитивная сила уменьшается. Примеси (в особенности углерод) в этом случае влияют слабее, старение стали уменьшается (потери в стали с течением времени изменяются слабо).

Применение кремнистой стали улучшает стабильность работы электромагнитных механизмов, увеличивает быстродействие на срабатывание и отпускание и уменьшает возможность «залипания» якоря. В то же время с введением кремния ухудшаются механические свойства стали.

При значительном содержании кремния (более 4,5%) сталь делается хрупкой, твердой и трудно обрабатываемой. Мелкие штамповки дают значительный брак и быстрый износ штампа. Увеличение содержания кремния также снижает индукцию насыщения. Кремнистые стали выпускаются двух видов: горячекатаные и холоднокатаные.

Холоднокатаные стали имеют различные магнитные свойства в зависимости от кристаллографических направлений. Их подразделяют на текстурованные и малотекстурованные. Текстурованные стали обладают несколько лучшими магнитными свойствами. Холоднокатаная сталь по сравнению с горячекатаной имеет более высокую магнитную проницаемость и низкие потери, но при условии, если магнитный поток совпадает с направлением прокатки стали. В противном случае магнитные свойства стали значительно снижаются.

Применение холоднокатаной стали для тяговых электромагнитов и других электромагнитных устройств, работающих при сравнительно высоких индукциях, дает значительную экономию в н. с. и потерях в стали, что позволяет уменьшить общие габариты и вес магнитной цепи.

Согласно ГОСТ буквы и цифры отдельных марок сталей обозначают: 3 - электротехническая сталь, первая за буквой цифра 1, 2, 3 и 4 указывает степень легирования стали кремнием, а именно: (1 - слаболегированная, 2 - среднелегированная, 3 - повышеннолегированная и 4 - высоколегированная.

Вторая за буквой цифра 1, 2 и 3 обозначает величину потерь в стали на 1 кг веса при частоте 50 гц и магнитной индукции В в сильных полях, причем цифра 1 характеризует нормальные удельные потери, цифра 2 - пониженные и 3 - низкие. Вторая за буквой Э цифра 4, 5, 6, 7 и 8 указывает: 4 - сталь с удельными потерями при частоте, равной 400 гц, и магнитной индукции в средних полях, 5 и 6 - сталь с магнитной проницаемостью в слабых полях от 0,002 до 0,008 а/см (5 - с нормальной магнитной (проницаемостью, 6 - с повышенной), 7 и 8 - сталь с магнитной проницаемостью в средних (полях от 0,03 до 10 а/см (7 - с нормальной магнитной проницаемостью, 8 - с повышенной).

Третья по порядку следующая за буквой Э цифра 0 обозначает, что сталь холоднокатаная текстурованная, третья и четвертая цифры 00 указывают, что сталь холоднокатаная малотекстурованная.

Например, сталь Э3100 является повышеннолегированной холоднокатаной малотекстурованной с нормальными удельными потерями при частоте 50 гц.

Буква А, поставленная после всех этих цифр, обозначает особо низкие удельные потери в стали.

Для трансформаторов тока и некоторых видов аппаратов связи, магнитные цепи которых работают при очень малых индукциях.

Пермалой

Железоникелевые сплавы

Эти сплавы, известные также под названием пермаллоев, главным образом применяются для изготовления аппаратов связи и автоматики. Характерными свойствами пермаллоев являются: большая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, малые потери в стали, а для ряда марок - наличие, кроме того, прямоугольной формы петли гистерезиса.

В зависимости от соотношения железа и никеля, а также содержаний других компонентов, железоникелевые сплавы выпускаются нескольких марок и имеют различные характеристики.

Железоникелевые сплавы изготавливаются в виде холоднокатаных термически необработанных лент и полос толщиной 0,02 - 2,5 мм различной ширины и длины. Выпускаются также горячекатаные полосы, прутки и проволоки, но они не нормируются.

Из всех марок пермаллоев сплавы с содержанием никеля 45-50% обладают наиболее высокой индукцией насыщения и сравнительно высоким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому эти сплавы позволяют получить при небольших воздушных зазорах необходимое тяговое усилие электромагнита или реле при малых потерях н. с. на сталь и вместе с тем обеспечить достаточное быстродействие.

Для электромагнитных механизмов весьма существенным является остаточная тяговая сила, получаемая за счет коэрцитивной силы магнитного материала. Применение пермаллоя дает снижение этой силы.

Сплавы марок 79НМ, 80НХС и 79НМА, обладающие очень малой коэрцитивной силой, весьма высокими магнитной проницаемостью и удельным электрическом сопротивлением, могут быть использованы для магнитных цепей высокочувствительных электромагнитных, поляризованных и других реле.

Применение пермаллоев марок 80НХС и 79НМА для маломощных дросселей с малым воздушным зазором дает возможность получить весьма большие индуктивности при малых по объему и весу магнитопроводах.

Для более мощных электромагнитов, реле и других электромагнитных устройств, работающих при сравнительно большой н. с, пермаллой не имеет особых преимуществ перед углеродистыми и кремнистыми сталями, так как индукция насыщения значительно ниже, а стоимость материала выше.

Железокобальтовые сплавы

Промышленное применение получил сплав, состоящий из 50% кобальта, 48,2% железа и 1,8% ванадия (известен под названием пермендюр). При сравнительно небольших н. с. он дает наибольшую индукцию из всех известных магнитных материалов.

В слабых полях (до 1 а/см) индукция пермендюра ниже индукции горячекатаных электротехнических сталей Э41, Э48 и в особенности холоднокатаных электротехнических сталей, электролитического железа и пермаллоя. Потери на гистерезис и вихревые токи пермендюра сравнительно велики, а удельное электрическое сопротивление относительно мало. Поэтому этот сплав представляет интерес для изготовления электрической аппаратуры, работающих при большой магнитной индукции (электромагниты, динамические репродукторы, мембраны телефонов и т. п.).

Например, для тяговых электромагнитов и электромагнитных реле применение его при малых воздушных зазорах дает определенный эффект. Заданное тяговое усилие можно получить при меньших габаритах магнитной цепи.

Материал этот выпускается в виде холоднокатаных листов толщиной 0,2 - 2 мм и прутков диаметром 8 - 30 мм. Существенным недостатком железокобальтовых сплавов является их высокая стоимость, вследствие сложности технологического процесса и значительной стоимости кобальта. Кроме перечисленных материалов, в электрических аппаратах используются и другие, например железоникелекобальтовые сплавы, которые имеют постоянную магнитную проницаемость и очень малые потери на гистерезис в слабых полях.