Аморфные материалы (835546), страница 40
Текст из файла (страница 40)
ред.3 Вопрос усложняется тем, что атомы металлоидов также могут упорядочиваться под действием внешних и внутренних полей. Прим. ред.368вать как материалы для сердечников трансформаторов. Он обосновал это следующими соображениями:1) потери на гистерезис и потери на вихревые токи у аморфныхсплавов на основе железа примерно на порядок ниже, чем у листовых кремнистых сталей;2) благодаря аморфной структуре коэрцитивная сила у этихсплавов мала, а максимальная эффективная магнитная индукцияВт довольно велика — до 1,5 Тл, вследствие чего и по этим параметрам аморфные сплавы на основе железа не уступают листовымкремнистым сталям;3) аморфные Материалы можно получать сравнительно простыми и дешевыми способами.За сравнительно короткое время, прошедшее после выхода всвет этой работы, использование аморфных сплавов в качестветрансформаторных материалов повсеместно приэнано целесообразным.
В настоящее время разработки, проводимые в этом направлении, надежно обеспечены фундаментальными исследованиями.Поэтому необходимо в общих чертах рассмотреть некоторые принципиальные вопросы, касающиеся аморфных трансформаторныхматериалов.Говоря о трансформаторах, нужно помнить, что они бываютсамыми разнообразными: от мощных крупногабаритных трансформаторов, работающих на частоте 50—60 Гц, до слаботочных микротрансформаторов, рассчитанных на частоты порядка 10 кГц иприменяемых в приборостроении. Основные требования, предъявляемые к материалам для сердечников, сводятся к следующему:1) высокая магнитная индукция; 2) высокая магнитная проницаемость и низкая коэрцитивная сила; 3) низкие потери на перемаггничивание; 4) низкая магнитострикция; 5) высокое электросопротивление; 6) постоянство толщины листа; 7) стабильность работыв течение нескольких десятков лет; 8) дешевизна и простота массового поточного производства.Как указывалось в разделе 5.3, индукция насыщения Bs аморфных сплавов на основе железа мала по сравнению с индукцией насыщения у кремнистых сталей (Fe — 3% S i).
Это в основном связано с тем, что суммарный магнитный момент аморфных сплавоввследствие присутствия металлоидов сравнительно мал, а также стем, что их температура Кюри довольно низка. Д о сих прр до конца не выяснено, каким образом магнитный момент и температураКюри зависят от типа и количества металлоидов в сплаве. Детальноизучается также влияние температуры на намагниченность. Здесьподробно рассматриваются главным образом четверные сплавысистемы- Fe — (В, Si, С). Основные особенности этих сплавов состоят в следующем.1.
Величина Bs максимальна при содержании железа в сплаве~ 8 0 % '(е с л и концентрация железа > 8 0 % , то Bs в присутствии4 металлоидов снижается в большей степени, чем точка Кюри).2. При фиксированном содержании железа в сплаве (~ 8 0 % )•введение углерода увеличивает магнитный момент. Если одновре6 Зав.307169менно увеличить и содержание бора, тб кривая зависимости намагниченности от температуры становится более выпуклой и при этомBs повышается.На рис. 5.48 приведена зависимость Bs сплава Fe8i (В, С, Si) щот концентраций бора, углерода и кремния [119]. Максимальнаяfis= l,6 9 Тл (0S= 1 8 2 эме/г) получается для состава Fei8Bi3Si6(табл. 5.2).Рис.
5.49. Коэрцитивная сила Нс(цифры у кривых, А/м) аморфныхсплавов Fe8i— (Si, В, C)ig послеохлаждения в магнитномполе[119]Рис. 5.48. Зависимость намагниченности насыщения от концентрацииметаллоидов в сплавахFeei— (Si, В, С )„ для трансформаторов повышенноймощности(цифры у кривых — а при 20°С,эме/г) [119]Таблица5.2. М агнитны е х а р а к т е р и с т и к и ам о р ф н ы х м атер и ал о в д л яников тр а н с ф о р м а то р о в [88]СплавИндукциянасьпцення, Bs, ТлПотернW/f,мВт-с/кгFeei в13CgFeei Bis SifCjFesiBisSijFe7eBuSii0FeeeB7C71,681,681,671,591,783,11,21,51,18,5Трансформаторная сталь*(0 ,3 мм)2 ,0 025 (1,3 Тл, 60 Гц)(1,4 Тл, 50 Гц)(1,4 Тл, 50 Гц)(1,4 Тл, 50 Гц)(1,4 Тл, 50 Гц)(1,5 Тл, 50 Гц)сер д еч Стабиль- Предельностьная толщина, мкм4ГД0 ,40,1< 0 ,1< 0 ,1—~40~ 150— 150~250——'В работе [119] исследовали также характер изменений коэрцитивной силы Я с в сплавах F e — (Si, В, С).
Существенную роль вповышении магнитных свойств этих сплавов играет термическаяобработка. На рис. 5.49 показана концентрационная зависимостькоэрцитивной силы (линии равной Я с) сплавов после охлажденияв магнитном поле От 300°С. Точками отмечены области появленияаморфных структур. Вблизи границ этих областей Я с велика, но в170середине области аформизации она имеет минимум. Это снижениеЯ с обусловливается тем, что сплавы, отвечающие составам, лежащим в центре области аморфизации, сравнительно легко получатьв виде аморфной ленты с хорошей однородностью структуры. Изрезультатов, приведенных на рис. 5.48 и 5.49 видно, что, например,сплав Fe8iB i 3 Si4Ca имеет высокую Bs и низкую Я с.На рис. 5.50 дано сравнение характеристик потерь в этом идругих аморфных сплавах с характеристиками потерь в кремнистой стали.
Видно, что потери в аморфных сплавах составляют примерно 1/10— 1/3 от потерь в трансформаторной стали. На основанииэтого, следуя за Люборским, можнодовольно определенно сказать, чтоаморфные сплавы, характеризующиеся низкими потерями энергии приРис .5.50. Потери в сердечиииах трансформаторов избыстрозакаленныхаморфных сплавов и кремнистойстали при 50 Гц [99]:/ —трансформаторная сталь,толщина листа300 мкм;2 —трансформаторная сталь,толщина листа 25 мкм; 3 —аморфный сплав FegzBioSie;толщина леиты 30 мкм; 4 —аморфный сплав Fe81B 13CzSi4,толщина ленты 30 мкм; 4 —то же, после отжига с охлаждением в косом магнитном полеРис. 5.51. Частотнозависимые потери (потери на вихревые токи)в аморфных сплавах и кремнистойстали [120]:1 — Fe — 3 % S i,d = 0 ,2 8 мм,Вт = 1,7-Т л ;2 — Fe — 3 %S i,d = 0 ,0 5 0 мм, Вт — 1,4 Тл, р == 4 5 мк Ом-см; 3—F e72 Со„ S i6 Вх6,d = 0,022 мм,Вт = 1 , 5 Тл,р = 130 мк Ом-смперемагничивании, являются перспективными материалами длясердечников трансформаторов.Теперь необходимо выяснить причины того, почему аморфныесплавы имеют низкие потери.
Рассмотрим для примера, основываясь на работе [120], зависимость потерь (W/f) в сплавеFe72CQ8 Si 5 Bi 5 от частоты f (рис. 5.51). В этом материале, обрабо6*Зак.607171тайном обычным способом (отжиг с охлаждением в магнитном поле), наводится магнитная анизотропия ( ~ 1 ,5 - 1 0 2 Д ж /м 3); Нс составляет ~ 0 ,6 4 мА/м, Вг/Ва= 95%, т. е. петля гистерезиса близкак прямоугольной. Из рисунка видно, что Wlf увеличивается с ростом / (вначале довольно интенсивно, а затем медленнее).
На этомж е рисунке приведены аналогичные зависимости для кремнистойстали (листы толщиной 0,3 мм и 50 мкм). Видно также, что дляаморфного сплава во всей области частот Wlf меньше, чем длякремнистой стали, причем разница тем больше, чем больше толщина стального листа.Хорошо известно, что потери в сердечнике трансформатора равны сумме потерь на магнитный гистерезис Wh и вихревые токи We:, чV / f = Wh + Welf,(5 .1 7 )где Wh — потери энергии за один цикл перемагничивания (не зависят от частоты f); We — джоулево тепло, выделяющееся при прохождении вихревых токов, индуцируемых в направлении, противоположном направлению изменения намагниченности (эти потерисвязаны с перемещением границ доменов и они зависят от частоты).Учитывая эту классификацию, можно легко объяснить различия ввеличине суммарных потерь в аморфных сплавах и кремнистойстали.
В аморфных сплавах Wh Крайне мало. Поэтому при высокойчастоте общие суммарные потери в них гораздо меньше, чем в кремнистой стали. Основная причина того, что величина Wh для аморфных сплавов мала, состоит в том, что в магнитном отношении онигораздо более однородны.Что касается частотнозависимых потерь на вихревые токи, то ваморфном сплаве они ниже, чем в листах трансформаторной сталитолщиной 0,3 мм, но сравнимы с потерями в листах стали, имеющихтолщину 50 мкм.
Реальных путей снижения этих потерь в аморфных сплавах пока не видно, ибо наиболее вероятной причиной возникновения частотнозависимых потерь являются смещения границдоменов, а эти смещения происходят как в аморфных сплавах, таки в трансформаторных сталях. В результате того, что в этих материалах имеется одноосная магнитная анизотропия1, доменнаяструктура состоит из доменов в форме стержней разделенных 180°нымй границами, как показано на рис. 5.52, a [120];. Прай и Бинполучили следующую связь между величиной We и параметрамитакой доменной структуры:We = R ( 2 L / d , Bm/ Bs) W c,Wc = ( n B m } d ) V 6 р ,(5 .1 8 )(5 .1 9 )где R — функция от переменных Вт/Ва и 2L/d\ 2L — ширина домена; d — толщина образца; Вт— максимальная индукция намагничивания; Ва— индукция насыщения.Величина Wc, называемая классическими потерями на вихре1 В аморфных сплавах она наводится при отжиге и магнитном поле, а втрансформаторной стали она является результатом кристаллографической текстуры (110) [001].
Прим. ред.172вые токи, пропорциональна квадрату частоты / 2 и обратно пропорциональна удельному электросопротивлению р. При ? U / d = 0 функция Остановится равной единице и тогда We= W c. Другими словами,если ширина доменов стремится к нулю, то потери We стремятся кминимальной величине Wc. Увеличение ширины доменов приводитк тому, что We растет. Если в уравнения (5.18) и (5.19) подставитьэкспериментальные значения величин, то потери We для аморфного сплава и для трансформаторной стали получаются одного поряд-'ка.
Так для аморфного сплава р = 130 мкОм-см, d = 30 мкм, а дляРис. 5.52. Доменная структура аморфной ленты FerzCogSisBis для сердечниковтрансформаторов (стержневая доменная структура) [120]:а — охлаждение в магнитном поле, приложенном вдоль оси ленты; б — то же»под углом 45°С к оси ленты; в — то же, под углом 60° к оси лентыкремнистой стали р=45м!кОм-см,£1=50мк!м и, таким образом, величина We в обоих случаях получается практически одинаковой»если учесть, что ширина доменов в аморфном сплаве хоть и несколько меньше, но все же сравнима с шириной доменов в кремнистой стали.
Появление значительных потерь на вихревые токи ваморфных сплавах связано также и с тем, что в них доменныестенки перемещаются при перемагничивании на большие расстояния1. В результате получается, что величина We в аморфных сплавах даже несколько выше, чем в кремнистой стали. При этом особенно заметны потери при высоких частотах, несмотря на малыезначения WhДля снижения потерь на вихревые токи предлагается проводитьохлаждение в косом магнитном поле2 с целью получения доменов с121 Эти расстояния ограничены в случае трансформаторной стали величинойзерна, а в случае аморфных сплавов — шириной ленты. Прим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
