Файл: Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 95
Скачиваний: 0
ческая петля при уменьшении частоты (ее можно назвать квазистати ческой, т. е. почти статической), характеризует потери на гистерезис.
Для ослабления поверхностного |
эффекта |
сердечники набирают |
из листового материала, разделенного |
тонким |
слоем изолятора (лак, |
окись магния и т. п.), который препятствует протеканию вихревых
токов. Чем выше частота перемагничивания |
сердечника, тем тоньше |
выбирают материал. В [1.5] рекомендуется, |
чтобы толщина материала |
d удовлетворяла условию |
|
где |
р — удельное сопротивление |
материала, |
ом • ммѴм; |
|
|
Ва max |
максимальная абсолютная |
магнитная |
проницаемость |
|
|
материала, гн/м; |
|
|
|
f — частота перемагничивания, гц. |
|
||
Однако даже при достаточно тонком материале, когда практически можно пренебречь влиянием вихревых токов, наблюдается расширение динамической петли гистерезиса, обусловленное магнитной вяз костью— явлением, физическая природа которого еще недостаточно выяснена. При изменениях внешнего поля магнитная вязкость прояв ляется в запаздывании мгновенных значений индукции от ее значе ний, соответствующих статической петле гистерезиса.
Исследования, проведенные В. К. Аркадьевым и К. М. Поливано вым, показали, что влияние вихревых токов и магнитной вязкости на процесс перемагничивания можно учитывать с помощью выражения
В = ср |
ЛВ_ |
d3 В \ |
( 1. 12) |
|
dt ' |
dB J ' |
|||
|
|
которое означает, что форма динамической петли гистерезиса является сложной функцией не только скоростей изменения напряженности и индукции, но и производных этих величин более высокого порядка.
Такая сложная зависимость свидетельствует, в частности, о том, что форма петли гистерезиса в значительной степени определяется законом изменения во времени напряженности и индукции. Причем из-за нелинейной связи индукции и напряженности, например, при синусоидальной форме изменения индукции во времени в кривой на пряженности появятся высшие гармоники и, наоборот, синусоидаль ная форма изменения напряженности приведет к сложному характеру кривой индукции.
На рис. 1.11 даны примеры петель гистерезиса для одного и того же сердечника, но при синусоидальной форме индукции (а) и при синусои дальной форме напряженности (б).
Рис. 1.11, б иллюстрирует расширение динамической петли гисте резиса железоникелевого сплава, обладающего прямоугольной пет лей гистерезиса, при возрастании частоты перемагничивания. Для частоты примерно до 500 гц динамическая петля, расширяясь, сохра няет такую же прямоугольную форму, как и статическая, что объясняет ся, в основном, влиянием магнитной вязкости. При более высоких зна2б
чениях частоты на изменение формы и ширины динамической петли гистерезиса большее влияние оказывают вихревые токи.
Строго говоря, расширение петли гистерезиса вызывается не самим увеличением частоты перемагничивания, а согласно выражению (1.12) увеличением скорости изменения индукции. На рис. 1.12 показана
Рис. 1.11. Динамические петли гистерезиса:
о — при синусоидальной индукции; 6 — при синусоидальной напряженности, в — при различной частоте перемагничива ния и синусоидальной индукции для сердечника из железо никелевого сплава с толщиной 0,1 мм
экспериментальная зависимость коэрцитивной силы железоникелевого сплава, обладающего прямоугольной петлей гистерезиса, от скорости изменения индукции [1.21. Расчеты по (1.11) показывают, что даже при наибольшей скорости изменения индукции, соответстующей на этом
Ип,а/см
Вин.
Рис. 1.12. Зависимость коэрцитивной силы от скорости изменения индукции железоникеле вого сплава 50НП с толщиной ленты
0,05 мм [1.2]
рисунке частоте примерно 400 гц, влияние вихревых токов относитель но мало и расширение динамической петли объясняется, в основном магнитной вязкостью.
В реальных условиях работы элементов электромагнитной техники динамическая петля гистерезиса определяется обоими факторами. Однако, если напряженности магнитного поля, создаваемые обмотка ми, значительно превышают коэрцитивную силу либо скорость изме нения индукциии невелика, анализ работы и расчет элементов можно
27
производить по квазистатической петле гистерезиса или по безгистерезисной кривой намагничивания. При таких условиях можно ана лизировать работу ряда типов магнитных усилителей — элементов аналоговых устройств, вошедших в первую часть книги, а также эле ментов, включенных в третью часть. В отличие от них элементы цифро вых устройств, рассмотренные во второй части, работают в условиях относительно быстрого перемагничивания под действием импульсов напряженности магнитного поля, часто сравнимых с коэрцитив ной силой, когда процессы магнитной вязкости становятся определяю щими.
§ 1.4. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Магнитные материалы можно разделить на м а г н и т н о т в е р д ы е с напряженностью Н с в десятки и сотни ампер на сантиметр и м а г н и т н о м я г к и е с напряженностью Н с в десятые и сотые доли ампера на сантиметр. Магнитнотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов, магнитномягкие — для изготов
ления элементов, в которых поле создается токами, протекающими по обмоткам.
Для создания элементов и устройств электромагнитной техники применяют главным образом магнитномягкие материалы, которые мож
но подразделить на три группы: |
э л е к т р о т е х н и ч е с к и е |
|||
с т а л и , |
с п л а в ы |
на о с н о в е |
ж е л е з а с |
другими ферромаг |
нитными |
металлами |
(никель, кобальт, алюминий) |
и ф е р р и т ы (не |
|
металлические ферромагнетики).
Электротехнические стали наиболее дешевы и имеют большие ин дукции насыщения (порядка 1,8—2,3 тл), что позволяет создавать из них компактные и дешевые электромагнитные элементы. Но ввиду от носительно большой (по сравнению с железоникелевыми сплавами) коэрцитивной силы электротехнической стали (порядка 0,1—0,5 а/см)
чувствительность элементов из сталей к изменениям внешнего поля, создаваемого обмотками, невелика.
Для магнитных цепей постоянного тока (реле, электромагниты) при меняют низкоуглеродистую электротехническую сталь марки Э, кото
рую выпускают в прутках или листах толщиной в несколько миллиме тров.
Для магнитных цепей переменного тока (магнитные усилители, реле и контакторы переменного тока) применяют горячекатаные элек тротехнические стали 331, 341, 342 с повышенным содержанием крем ния, который придает ей высокое электрическое сопротивление, ослаб ляющее вихревые токи. Эту сталь выпускают в листах толщиной 0,5; 0,35 и 0,2 мм. Лучшими свойствами обладает сталь 344—348 с тол щиной листа до 0,1 мм. Наиболее высокими свойствами и прямоуголь ной петлей гистерезиса обладают холоднокатаные текстурованные стали (3310, 3340, 3370, 3380). Эту сталь выпускают в виде листов или ленты толщиной до 0,02 мм.
28
Железоникелевые сплавы ( п е р м а л л о и ) |
дороже стали в 15— |
20 раз, имеют меньшие индукции насыщения, |
но позволяют получать |
высокочувствительные магнитные элементы за счет малой коэрцитивной силы и высокой начальной магнитной проницаемости. Магнитные свой ства пермаллоя во многом определяются процентным содержанием ни келя в сплаве.
На рис. 1.13 приведены характеристики Bs (%Ni) и рн (%№) [1.3], объясняющие свойства двух значительно отличающихся подгрупп пер маллоев.
Одна из них характеризуется 50—65%-ным содержанием никеля (50НП и 65НП), имеет высокую индукцию насыщения, но небольшую начальную проницаемость.
о |
П |
50 |
WO Ni,% |
50 |
SO |
wo Ni,% |
|
|
а ) |
|
ö ) |
|
|
Рис. |
1.13. |
Магнитные |
характеристики |
сплавов |
Fe—Ni |
|
в |
зависимости от |
процентного содержания |
никеля: |
|||
а —индукция насыщения; |
б —начальная магнитная |
проницаемость |
||||
Другая подгруппа объединяет материалы с 79—80%-ным содержа нием никеля, обеспечивающим наиболее высокие значения рн, а сле довательно, и высокую чувствительность в слабых внешних магнит ных полях.
Железоникелевые сплавы изготовляют в виде листов или лент. Толщина ленты иногда достигает нескольких микрон.
Общим недостатком этих материалов является их чрезвычайная чувствительность к деформации. Поэтому сердечники после отжига по мещают в защитные каркасы, а нередко производят отжиг вместе с фар форовым или металлическим каркасом.
Железокобальтовые сплавы (п е р м е н д ю р ы), содержащие от 30
до 50% кобальта (35КХ и 50КФА), имеют наиболее высокие значе ния индукции насыщения (до 2,4 тл), что позволяет создавать магнит ные усилители и другие устройства наименьшего веса и габаритов. После отжига их петли гистерезиса близки к прямоугольным.
Железоалюминиевые сплавы, имея среднюю величину индукции на сыщения и малую коэрцитивную силу, обладают повышенной (в 10— 20 раз большей чем пермаллой) износоустойчивостью. Их широко при меняют для изготовления магнитных головок в устройствах магнит-
29
ной записи, где в процессе работы головка непрерывно трется о по
верхность ленты.
Ферриты представляют собой неметаллические магнитные мате риалы (твердые растворы), изготовляемые из смеси окислов железа с окислами магния, меди, марганца, никеля и других металлов. Об щая формула ферритов имеет вид МеО • Fe20 3, где Me — тот или иной металл.
Для сердечников цифровых магнитных устройств широко применя ют б и ф е р р и т ы, т. е. ферриты с двумя характеризующими метал лами, например, магний-марганцевые или литий-натриевые ферриты,
а также |
п о л и ф е р р и - |
|
|
|
|
|
|
|
||
т ы, представляющие собой |
В, тп |
|
|
|
|
|
3380 |
|||
твердые |
растворы |
трех и |
(' |
|
, |
|
6514П |
50НП |
||
более ферритов. |
|
1,4 |
X |
|
||||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Н,фм |
1,1 |
/ |
|
|
|
|
|
о,* |
|
|
4 |
1,0 |
/ |
|
|
|
|
79НМ |
oß |
|
А |
J |
0,8 |
К / |
|
|
|
80НХС |
|
|
0,6 |
|
|
|
||||||
|
Вт |
г |
|
|
|
|
||||
0,2 |
0,4 |
|
/ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Oß |
|
|
f |
0,2 |
/ |
|
|
|
|
|
|
10 |
20 ffl 40 |
00 Mg, % |
О |
|
|
15 |
2,0 |
3,0 |
О, а/см |
Рис. 1.14. Зависимость магнитных |
Рис. 1.15. |
Кривые |
намагничивания |
некото |
||||||
|
7 |
|
магнитных материалов |
|
||||||
параметров от содержания магния |
|
рых |
|
|||||||
в магний-марганцевом феррите |
|
|
|
|
|
|
|
|||
(общее содержание магния и мар |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
ганца Принято за |
100%) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Окислы измельчают и смешивают в определенной пропорции. Сер дечники необходимых размеров и конфигураций прессуют из получен ной смеси при давлении 10—30 кнІсмг (1—о Т/см?) и отжигают при тем пературе 1200—1400° С. Готовые сердечники серовато-черногб цвета имеют высокую твердость, но довольно хрупки/Обмотки обычно нама тывают непосредственно на ферритовые кольца без дополнительной изоляции последних.
В зависимости от состава смеси и технологии изготовления сердеч ников можно получить различные магнитные свойства. Прямоугольную петлю гистерезиса имеют магний-марганцевые ферриты, которые и получили преимущественное распространение в автоматических, вы числительных и измерительных устройствах дискретного действия. Наиболее распространены ферриты марок ВТ (1,ЗВТ, 0 ,16ВТ и др.).
Магний-марганцевые ферриты имеют относительно низкую точку Кюри (140—300° С), что обусловливает значительное изменение их магнитных параметров при нагреве. Ферриты на базе лития, имеющие точку Кюри 450—530° С, имеют значительно лучшие температурные характеристики.
30