МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНОМЯГКИЕ ФЕРРИТЫ

К магнитномягким ферритам относятся в первую очередь ни- кельцинковые и марганеццинковые. В табл. 2 были приведены ориентировочные характеристики этих групп ферритов. Находят также применение, особенно в области высоких частот, литий - цинковые, свинцовоникелевые и некоторые другие типы фер­ритов.

Магнитномягкие ферриты в настоящее время применяют в ка­честве сердечников различного рода трансформаторов, катушек индуктивности фильтров, контуров, магнитных антенн; статоров и роторов высокочастотных моторчиков, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры и т. п. Все эти области приме­нения относятся к высокочастотной и импульсной технике. В по­стоянных полях и в полях промышленной частоты магнитномяг­кие ферриты не применяют.

Стандарт на ферриты пока еще не разработан. Наиболее при­нятое условное обозначение марок магнитномягких ферритов сле­дующее. Стоящее впереди число соответствует номинальному зна­чению начальной магнитной проницаемости, стоящие за ним бук­вы «Н» или «ВЧ» обозначают соответственно низкочастотные или высокочастотные материалы; далее идут буквы «М» или «Н». Первая буква означает марганеццинковый феррит, вторая — ни - кельцинковый, литийцинковый или другие ферриты. Для некото­рых марок после указанных обозначений имеется еще цифра «1» или «2», что свидетельствует о некотором улучшении тех или иных свойств. Отметим также, что для различных марок ферри­тов особо оговариваются условия (значения частоты и напряжен­ности поля), при которых определена начальная проницае­мость.

Пример. «3000 НМ» обозначает марганеццинковый феррит, предназначен­ный для работы в области низких частот с номинальным значением начальной проницаемости |ха =3000.

Пока еще находят применение и другие условные обозначения марок ферритов, например Ф-2000 (никельцинковый феррит с ра = 2000), ФМ-1000 (марганеццинковый феррит с ра=1000) и др.

Как указывалось выше, ферриты не применяют в постоянных полях, однако при описании свойств различных марок часто при­водят данные об их статических характеристиках. Это объясняет­ся тем, что, во-первых, магнитные измерения в постоянных полях являются наиболее точными и, во-вторых, статические характе - В, тл] гс\—————Г—|——— ристики позволяют оце­нить собственно маг­нитные (а не электро­магнитные) свойства материала, так как та­кие явления, как маг­нитная вязкость, вих­ревые токи и другие, при измерениях свойств в постоянных ПОЛЯХ исключаются.

На рис. 40 приведе­ны статические кривые намагничивания для некоторых марок фер­ритов, а в табл. 12 да­ны параметры петли гистерезиса. Из табли­цы видно, что ферриты обладают низкой ин­дукцией насыщения по сравнению с металли­ческими магнитными материалами, поэтому в сильных полях при­менять их невыгодно. Однако следует учесть, что в переменных по­лях высокой частоты ферриты благодаря практическому отсутст­вию размагничивающе­го действия вихревых токов могут иметь более высокое значе­ние индукции, чем металлические материалы.

В переменных полях обычно для ферритов, кроме начальной магнитной проницаемости, измеренной на высокой частоте (см. § 31), указывают тангенс угла потерь tg б (или приведенный тан­генс угла потерь tg6/p, a), граничную частоту /гр, относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемо­сти а, аа, рабочую температуру tv, обратимую магнитную прони­цаемость р,- при заданных условиях и некоторые другие пара­метры.

Таблица 12

Параметры петли гистерезиса некоторых марок ферритов *

5ВЧ 100 8000 2200 0,22 200 0,02 20 1600

Си 53:

Ч о

Большой интерес представляют также зависимости тангенса угла потерь и проницаемости от частоты и от амплитуды перемен­ного поля, а также зависимость обратимой проницаемости от на­пряженности подмагничивающего поля и различного рода тем­пературные зависимости.

Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее.

Тангенс угла потерь tg б и граничная частота /гр. Эксперимен­тально было установлено, что в некоторой области изменения поля от нуля и выше (область Релея, определяемая обычно мил - лиэрстедами) выражение для общего тангенса угла потерь в за­висимости от / и Я может быть представлено следующим обра­зом:

Tg5 = S„ + (43)

Где коэффициенты 6П, б/, 6h характеризуют собой потери соответ­ственно на последействие (магнитную вязкость); потери на вих­ревые токи, отнесенные к единице частоты, и потери на гистере­зис, отнесенные к единице напряженности ПОЛЯ.

Для ферритов составляющая потерь на вихревые токи прак­тически ничтожно мала и ею можно пренебречь. В области очень слабых полей незначительными являются и потери на гистерезис. Следовательно, в области Релея в основном потери определяются магнитной вязкостью и возрастают с ростом частоты. Однако при повышении частоты tg б, начиная от некоторого определенного для каждой марки феррита значения, возрастает значительно быстрее, чем это показывает уравнение (43). Одновременно рез­ко уменьшается магнитная проницаемость, что иллюстрируется изображенными на рис. 41 « 42 зависимостями tg6=cp(f) и Мэфф[35] = 'Чг(/) соответственно для никельцинковых и марганец - цинковых ферритов. Частота, при которой начинается резкое воз­растание угла потерь, называется граничной частотой /гр. Для определенности принято считать граничной частотой такую, при которой tg 6 = 0,1. Причины резкого возрастания потерь и умень­шения проницаемости с частотой весьма сложные и объясняются главным образом резонансными явлениями. Установлено, что чем выше начальная проницаемость, тем меньше граничная частота (см. рис. 40 и 41).

Во многих случаях вместо tg б удобнее пользоваться поняти­ем приведенного тангенса угла потерь.

Величины tg6/(.la ■и /гр для различных марок ферритов указа­ны в табл. 13.

На рис. 43 и 44 приведены зависимости tg б и |і3фф от ампли­туды переменного поля для никельцинковых и марганеццинко - вых ферритов. Эти зависимости показывают, что, чем выше на­чальная проницаемость, тем больше зависимость проницаемости от амплитуды поля. Например, при изменении поля от 0,5 до 0,1 э проницаемость феррита марки 200НН возрастает на 18%, а для ферритов с проницаемостью меньше 600 изменения практически отсутствуют, что является их достоинством. С увеличением ампли­туды поля возрастают tg б и нелинейные искажения, вызываемые гистерезисными явлениями.

Относительный температурный коэффициент магнитной про­ницаемости а, х и рабочая температура tv. Большая зависимость свойств ферритов от температуры по сравнению с другими высо­кочастотными магнитными материалами, в первую очередь по сравнению с магнитодиэлектриками (см. § 15), объясняется низ­кой точкой Кюри ферритов. Например, для высокопроницаемых никельцинковых ферритов @ меньше 100° С. В то же время из­вестно, что при температурах іниже точки Кюри, но близких к ней, имеют место значительные изменения проницаемости и других магнитных свойств. Зависимости |іа = / (0 для никельцинковых ферритов представлены на рис. 45, а для марганеццинковых — на рис. 46.

Для оценки температурных изменений проницаемости поль­зуются температурным коэффициентом проницаемости 7"/С, х, ко­торый для заданного диапазона температур (t2 — ti) определяет­ся по формуле [36]

ТК, = ^ ' , (44)

!-V, (к — h)

И относительным температурным коэффициентом магнитной про­ницаемости ctfi» определяемым из выражения:

ТК а, — IX,

А. = = ' '' ' '' . (45)

Ре, Pt, № — tJ

При этом в выражения (44) и (45) можно подставлять раз­личные значения |i. Например, начальную, максимальную, обра­тимую и т. п.

Значения аца для разных марок ферритов приведены в табл. 13. Из рассмотрения данных таблицы видно, что наиболее благопри­ятную температурную характеристику проницаемости имеют мар - ганеццинковые ферриты, температурные свойства всех других ти­пов ферритов значительно хуже. Для уменьшения а^ используют технологические и конструктивные методы. Технологический ме­тод состоит в том, что, как показали исследования, небольшие добавки некоторых веществ (например, таких, как СоО) благо­приятно действуют на температурные свойства ферритов. Кон-

О го 50 70 100 150 ZOO t.'C

■SO

Рис. 45. Зависимость начальной маг - Рис. 46. Зависимость начальной маг­нитной проницаемости никельцинко - нитной проницаемости марганеццин - вых ферритов от температуры ковых ферритов от температуры (для

Марки 2000НМ приведены три кри­вые, показывающие возможный раз­брос а;х)

Структивный метод заключается во введении в магнитную цепь воздушного зазора. При этом суммарный температурный коэффи­циент всей цепи уменьшается, однако это сопровождается также падением магнитной проницаемости. В первом приближении мож­но считать, что a;J. и |i уменьшаются пропорционально друг другу.

Рабочей температурой tv называют такую температуру, при которой проницаемость составляет 80% от номинального значе­ния при 20° С. Рабочая температура для разных марок ферритов указана в табл. 13.

Зависимость обратимой магнитной проницаемости цг [37] от на­пряженности подмагничивающего поля. Для ферритов характер­на большая зависимость обратимой магнитной проницаемости |1Г от напряженности магнитного поля (рис. 47 и 48), что объяс­няется незначительным действием вихревых токов. Эти зависи­мости остаются неизменными для широкого диапазона частот, что позволяет, например, применять ферриты в схемах дистанци­онной настройки. Отметим, что применение в подобных устройст-

А/м <ЧМ

Рис. 47. Зависимость обратимой Рис. 48. Зависимость обратимой магннтиой проницаемости \хг ни - магнитной проницаемости p. г мар - кельцннковых ферритов от напря - ганеццинковых ферритов от напря­женности . подмагничивающего женностн подмагничивающего поля поля

Вах других высокочастотных магнитных материалов — металли­ческих или магн'итодиэлектриков — практически исключается. Это объясняется тем, что для магнитодиэлектриков pr~const, а для металлических материалов, кроме малой зависимости рг от постоянного поля (приблизительно в 100 раз меньшей, чем для ферритов), характеристики различны для разных частот.

В электрическом отношении ферриты являются полупровод­никами. Удельное сопротивление р, измеренное на постоянном то­ке, для различных марок ферритов приведено, в табл. 13. Данные таблицы показывают, что р марганеццинковых ферритов значи­тельно меньше, чем для всех других. Это приводит к уменьшению frp и ограничивает частотный диапазон применения марганеццин­ковых ферритов несколькими мегагерцами.

Исследования показали, что в переменных полях проводи­мость ферритов определяется не только величиной р (токами про­водимости), но также и токами смещения[38]. Выражение для эф­фективной. проводимости Т Эфф, учитывающей оба вида токов, име­ет вид:

ТЭфф = Т + V*®. (46)

Где т — удельная проводимость в постоянных полях; г" — мнимая часть диэлектрической проницаемости; е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; со — угловая частота.

Из выражения следует, что Тэфф возрастает с частотой. Для некоторых ферритов при /=10 Мгц г0фф в 5—10 раз больше, чем т. С увеличением температуры электропроводность ферритов увеличивается.

Кроме рассмотренных выше свойств, практический интерес представляют вопросы стабильности магнитных свойств ферри­тов во времени. Установлено, что с течением времени проницае­мость ферритов падает. Это уменьшение резко зависит от состава и условий спекания, а также от температуры образца. Ориентировочно можно считать, что начальная магнитная проницаемость замкнутого магнитопровода в течение первого года после изготовления феррита падает на 3%. Дальнейшие изменения незначительны. Для улучшения временной стабиль­ности некоторых ферритов, в первую очередь марганеццинковых, рекомендуют после их изготовления искусственную стабилиза­цию, которая состоит в проведении температурных циклов с определенными нагревом и выдержкой.

В заключение отметим некоторые особенности различных ма­рок ферритов.

Существенными преимуществами марганеццинковых ферри­
тов по сравнению с никельцинковыми являются: в несколько раз меньшие потери на гистерезис, более высокая индукция и мень­ший температурный коэффициент магнитной проницаемости; не­достатками— меньшее значение /гр, что позволяет рассматривать марганеццинковые ферриты как низкочастотные (до нескольких мегагерц), а никельцинковые как высокочастотные (до сотен мегагерц).

Ферриты с высокой проницаемостью (|ia=1000—2000) при работе в слабых полях имеют преимущества (меньшие tg6 и по­тери) перед низконикелевыми пермаллоями тонкого проката и электротехническими сталями.

Никельцинковые ферриты с проницаемостью ра = 600—200 на­ходят применение на более высоких частотах и в больших полях, чем высокопроницаемые.

При жестких требованиях к величине нелинейных искажений марганеццинковые ферриты лучше никельцинковых, а в устрой­ствах с подмагаичиванием лучше никельцинковые.

Ферриты с проницаемостью в десятки единиц применяют в высокочастотной части спектра радиочастот (десятки и сотни мегагерц), где могут быть использованы также магнитодиэлект - рики. При решении вопроса о выборе материала в данном случае надо сравнить эти две группы (см. § 15).

Более конкретные рекомендации по выбору марки феррита можно получить лишь на основании расчетов по заданным тех­ническим условиям (частотному диапазону, требованиям к тем­пературной стабильности и т. п.) и справочным сведениям о фер­рите. В последнее время появилось много работ, посвященных этим вопросам [39].

Остановимся еще на конструкции деталей из магнитномягких ферритов.

Детали из ферритов могут быть изготовлены любой формы, которую позволяет керамическая технология (см. § 14). На рис. 49 показаны конструкции ферритовых сердечников катушек индук­тивности, дросселей и трансформаторов. Каждая из изображен­ных на рис. 49 конструкций имеет несколько типов, различаю­щихся размерами или их соотношениями. Наибольшее примене­ние имеют кольцевые, броневые и Ш-образные сердечники.

І

Технические условия на кольцевые сердечники являются од­новременно и техническими условиями на материалы. Преиму­ществом кольцевых сердечников является малое рассеяние маг­нитного потока, а недостатками — малая стабильность парамет­ров, соответствующая стабильности материала, относительная сложность намотки и отсутствие возможности плавной регу-

Рис. 49. Конструкции ферритовых сердеч­ников:

/ — цилиндрический; 2 —трубчатый; 3 — пластин­чатый; 4— шпулевидный; 5 — тороидальный; б — Ш-образиый; 7 — чашечный; 8 — броиевой

Рис. 50. Конструкция бро­невого сердечника

Q-ffm)

8 IB ZU т Сердечник Сердечник

Введен выведен

Обороты

Пластмасса сердечник(подстроечниг!/

Рис. 51. Зависимости индуктивности и добротности катушки с

Броневым сердечником от перемещения подстроечника: а — диаметр подстроечника близок к диаметру отверстия: 1 — сердечник без зазора (5=0); 2 —сердечник с зазором (5-0,13 мм)- б — диаметр подстроечника много меньше диаметоа отверстия

Ф19 8 12 lUn Сердечник Сердечних

Введен выведен

О бороты

A) Q ju

Лировки индуктивности. Кольцевые сердечники выпускают обыч­но со следующими предельными размерами: наружный диаметр 2,5—125 мм, внутренний диаметр соответственно 1,0—80 мм, вы­сота 0,8—18 мм.

Рис. 52. Конструкция Ш - образного сердечника

Сердечник с воздушным зазо­ром, например броневой, изобра­женный на рис. 50, выполняют обычно с зазором 6. Зазор может быть образован в результате умень­шения высоты керна одной из двух чашек, составляющих сердечник. Величина 6 может иметь любое зна­чение в пределах от 0 до h и за­дается потребителем при заказе. В каждом отдельном случае опти­мальные размеры зазора рассчиты­вают по заданным параметрам: ТКу., добротности Q и др. Бро* невой сердечник обычно имеет подстроечник — стержень из

Таблица 14

Размеры броневых ферритовых сердечников (обозначения соответствуют рис. 50)

Феррита, входящий в центральное отверстие. Перемещая под- строечник, можно менять L(Q). В зависимости от относительных размеров диаметров подстроечника и отверстия, а также от величины зазора 6, характер и диапазон изменения L(Q) раз­личны, что иллюстрируется на рис. 51. Размеры обычно приме­няемых броневых сердечников приведены в табл. 14.

Сердечники Ш-образные состоят из двух Ш-образных частей, сложенных шлифованными плоскостями (рис. 52). Они имеют очень широкое применение, так как отличаются простотой изго­товления обмоток и сборки. Обычно устройства на Ш-образных сердечниках выполняют на большие мощности, чем на броневых сердечниках. Номинальные размеры имеющих широкое приме­нение Ш-образных сердечников приведены в табл. 15.