Выбор определяется работой магнитной цепи
Магнитомягкий материал применяют там, где намагниченность должна легко изменяться: в сердечнике трансформатора, статора или электромагнита. Магнитотвёрдый материал должен сохранять намагниченность и противостоять размагничивающему полю; из него делают постоянные магниты. Слова «мягкий» и «твёрдый» здесь обозначают магнитное поведение, а не механическую твёрдость поверхности. Проверка материала начинается с режима поля, температуры и геометрии магнитной цепи.
Напряжённость поля H измеряют в А/м, индукцию B — в теслах. Петля B(H) показывает, что результат зависит от предыстории намагничивания. Остаточная индукция Br соответствует H = 0 после выбранного цикла, а коэрцитивная сила Hc характеризует обратное поле, необходимое для достижения установленного нулевого состояния. Для постоянных магнитов различают HcB, при котором равна нулю индукция, и HcJ, при котором равна нулю магнитная поляризация. Эти значения нельзя заменять друг другом.
Проницаемость и гистерезис отвечают на разные вопросы
Магнитная проницаемость описывает связь изменения поля с индукцией на определённом участке характеристики. Секущая относительная проницаемость равна B/(μ₀H), дифференциальная определяется наклоном dB/dH с делением на μ₀. Начальная, максимальная и дифференциальная проницаемости обычно различаются. Поэтому одно большое число без указания поля, частоты и метода измерения мало помогает при выборе сердечника.
| Задача | Нужная характеристика | Дополнительная проверка |
|---|---|---|
| Перемагничиваемый сердечник | Малая коэрцитивность, проницаемость в рабочем поле | Потери при заданных частоте и амплитуде |
| Постоянный магнит | Br, HcJ, кривая размагничивания | Рабочая точка при максимальной температуре |
| Тонкий магнитопровод | Индукция насыщения и направление прокатки | Толщина листа, изоляция, механические напряжения |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Площадь замкнутой петли ∮H dB даёт энергию гистерезисных потерь за цикл на единицу объёма в Дж/м³. При переменном поле существуют также вихретоковые и другие потери. Узкая петля сама по себе не гарантирует малые суммарные потери на высокой частоте. Электротехническую сталь разделяют на изолированные листы; для других диапазонов частоты могут выбирать ферриты или специальные сплавы.
Условный пример двух оценок
Допустим, на выбранной ветви характеристики при 20 °C измерены B = 0,50 Тл и H = 100 А/м. Для иллюстрации принимаем μ₀ ≈ 1,256637·10⁻⁶ Гн/м. Секущая μr получается 0,50/(1,256637·10⁻⁶·100) ≈ 3979. Это характеристика данной точки и истории образца. Она не определяет ни Hc, ни площадь петли и не доказывает, что материал пригоден для постоянного магнита.
Теперь предположим, что измеренная энергия петли составляет 40 Дж/м³ за цикл, объём сердечника 100 см³, частота 50 Гц. Гистерезисная мощность равна 40·100·10⁻⁶·50 = 0,20 Вт. Все числа условные. Оценка предполагает одинаковый цикл во всём объёме и не включает вихревые токи, поэтому её нельзя выдавать за полное тепловыделение трансформатора.
Температура и обработка меняют результат
Для постоянного магнита нужно проверять положение рабочей точки на температурной кривой размагничивания. Увеличение воздушного зазора, встречное поле обмотки или нагрев могут вызвать необратимое снижение магнитного потока. Максимальная температура из каталога требует условий применения; она не является гарантией сохранения намагниченности в любой геометрии. Покрытие и влажность также важны, особенно для неодимовых магнитов.
Для магнитомягкого сердечника учитывают штамповку, отжиг, остаточные напряжения и направление потока относительно прокатки. Производитель Arnold связывает применение неориентированной электротехнической стали с высокой проницаемостью и низкой коэрцитивностью, а в каталоге NdFeB отдельно указывает Br, HcB и HcJ. Сопоставлять следует одинаковые условия измерения. После изготовления узла проверяют нагрев, насыщение и магнитный поток в действительном режиме, а не только паспортное название материала.
Источники: Arnold: ориентированная и неориентированная сталь; Arnold: характеристики NdFeB.