МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАГНИТНОТВЕРДЫМ МАТЕРИАЛАМ

Магнитнотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. При этом используется магнитная энергия, возникающая между полюсами магнита. Отсюда следует, что

Магнитнотвердых материалов

Магнитные цепи с постоянными магнитами должны быть разомк­нутыми, т. е. иметь полезный (рабочий) воздушный зазор. Поток в зазоре возникает после намагничивания материала при кратко­временном помещении его в сильное магнитное поле.

Схематически кривые намагничивания магнитнотвердого ма­териала представлены на рис. 54. В дальнейшем будем считать, что магнит намагничен до намагниченности насыщения Js или соответственно до индукции насыщения Bs-

После снятия. внешнего поля магнитные свойства материала характеризуются кривой размагничивания — расположенным во втором квадранте участком гистерезионой петли. Положение ра­бочей точки А «а этой кривой определяется относительными раз­мерами постоянного магнита, т. е. величиной коэффициента раз­магничивания N (tga=iV/4n). Индукция ВА называется кажу­щейся остаточной индукцией или остаточной индукцией в разомкнутой цепи.

Энергия WA во внешнем пространстве (воздушном зазоре), создаваемая единицей объема материала для точки А, может быть выражена следующими равенствами:

В системе СИ

WA = Ва"а [джім*], (58)

В системе СГСМ

WA = B\"A [эрг/смЦ. (58')

Он

В практике использования магнитных материалов вместо энергии WA часто пользуются пропорциональной ей величиной (ВАНА). В некотором масштабе энергия WA может быть пред­ставлена площадью прямоугольника со сторонами ВА и НА (на рис. 54 прямоугольник заштрихован).

Меняя размеры магнита, например величину воздушного за­зора, будем менять положение рабочей точки на кривой размаг­ничивания. Если цепь замкнута, то индукция будет наибольшей, равной остаточной индукции Вг материала, но так как воздуш­ный зазор, где может быть использована энергия магнита, при этом отсутствует (Я=0), то W=0. Второе предельное значение, при котором энергия также равна нулю, соответствует Н=НС; B — 0(N= оо), что не имеет физического смысла. Для точек, близких к этому положению, вследствие очень большого размаг­ничивающего поля, индукция мала. Поэтому, хотя воздушный зазор и велик, но использование энергии магнита незначитель­ное.

Изображенная на рис. 54 зависимость W=f (В) показывает, что магнит имеет наивыгоднейшую рабочую точку D, для кото­рой энергия, отдаваемая во внешнее пространство единицей объ­ема магнита, максимальна.

Проектирование систем с постоянными магнитами в значи­тельной степени сводится к расчету размеров магнитной цепи (коэффициента размагничивания) таким образом, чтобы обеспе­чить работу в точке максимальной отдачи энергии. Поэтому и качество магнитнотвердого материала оценивается, в первую очередь, значением Wmax или пропорциональной ей величиной (ВН)тах. Для применяемых в настоящее время материалов (ВЯ)тах имеет значения от 0,25-106 гс ■ э (хромистая сталь) до 8,1 • 106 гс-э (алнико VIII — материал с магнитной и кристалли­ческой текстурой). На уникальных лабораторных образцах по­лучена энергия 11-106 гс-э.

Максимальная энергия будет тем больше, чем больше вели­чины Вг и Нс, а также чем ближе к прямоугольной форме (вы­пуклее) кривая размагничивания. Выпуклость кривой оценивает­ся коэффициентом выпуклости Y, который определяется уравне­нием

_ (ВН) тах,-q,.

Т - Brt1c - (ОУ)

Современные магнитнотвердые материалы, применяемые в промышленности, имеют Вг=2000—13 500 гс; Нс — 50—4000 э; т = = 0,25—0,75.

Увеличение Wmax может быть достигнуто в результате увели­чения Br, Нс и ї.

С точки зрения получения наибольших значений Вг интерес представляют железо и сплавы железо — кобальт, обладающие самыми высокими намагниченностями насыщения (для железа 4n/s~21 500 гс). Предельное значение Вг будет получено в том случае, если при уменьшении. намагничивающего поля до нуля, Js не уменьшится. Тогда Br=AnJs.

Коэрцитивная сила, в свете представлений теории ферромаг­нетизма, может быть получена наиболее высокой у материалов из мелких, однодоменных порошков. При этом особенно большо­го увеличения Нс можно достигнуть в результате применения час­тиц, обладающих анизотропией формы. Теоретические расчеты показывают, что самыми перспективными в отношении получе­ния больших значений #с являются, как и в отношении получе­ния больших значений Вг, железо и сплавы железо — кобальт. Для железа предельное значение (ВИ)тах = 38,5- 10е гс-э. Прак­тически пока достигнута величина (ВЯ)тах = 3,5- 10б гс • э, т. е. использовано только 9% возможностей материала. Большая раз­ница между теоретическими и достигнутыми значениями объяс­няется в значительной степени технологическими трудностями получения материала, с оптимальными свойствами (см. §23). Для некоторых материалов достигнутые на практике значения почти соответствуют предельным, т. е. возможности таких мате­риалов в значительной степени уже исчерпаны. Например, для бариевых магнитов эта величина составляет 70—80%.

Для у максимальное значение равно единице (кривая размаг­ничивания представляет собой два взаимно перпендикулярных отрезка); у существенно увеличивается при создании магнитной анизотропии (текстуровке) материала.

В процессе эксплуатации магнита положение рабочей точки, в качестве которой была выбрана точка D, отвечающая условию J^max, не остается постоянным. В некоторых случаях изменение положения вызывается изменением величины воздушного зазо­ра. Это происходит, например, в магнитных цепях магнитоэлект­рических двигателей и генераторов, при работе удерживающих магнитов и т. п. В других случаях рабочая точка смещается под действием внешних магнитных полей, температуры, тряски, уда­ров, а также в результате магнитной стабилизации (см. § 19).

Изменение магнитного состояния происходит во всех указан­ных случаях по кривым возврата, представляющим собой част­ные петли гистерезиса, одна из вершин которых лежит на кривой размагничивания. Кривые возврата являются весьма узкими, по­этому их обычно заменяют прямыми возврата (на рис. 56 пря­мые АЕ. и DF). Ход прямой возврата оценивается коэффициентом возврата, определяемым по формуле

= (60)

Где А В — изменение индукции, соответствующее изменению ПО­ЛЯ АН (см. рис. 56).

На рис. 56 представлена зависимость = f(B). Для желе - зоникельалюминиевых сплавов рд составляет единицы, а для мартенситных сталей—-десятки. Чем меньше коэффициент воз­врата, тем меньше будут изменения кажущейся остаточной ин­дукции в результате смещения положения рабочей точки. От­сюда следует, что коэффициент возврата определяет в некото­рой степени стабильность магнитной цепи.

Кроме основных критериев магнитных свойств (Wшах и рл ), при оценке магнитнотвердых материалов могут оказаться суще­ственными механические свойства (прочность), в процессе про­изводства обрабатываемость материала, а также плотность, электросопротивление, стоимость. Особенно важное значение имеет, для некоторых случаев, вопрос стабильности магнитных свойств, который рассмотрен в § 19.

В табл. 19 приведены некоторые свойства различных групп материалов для постоянных магнитов.