PDFs

Новости

Литература

Схемы

Форум

Блоги

Реклама

Читать @chipinforu
Мне нравится

Журнал "Радио", номер 6, 1999г.
Материал подготовили Ю. СТАРОДУБЦЕВ, В. КЕЙЛИН, В. БЕЛОЗЕРОВ, г. Екатеринбург

    В частотной области от 50 Гц до 1 МГц магнитопроводы для трансформаторов и дросселей традиционно изготавливают из электротехнической стали, железоникелевых сплавов (пермаллой), ферритов, прессованного порошкообразного пермаллоя и альсифера (магнитодиэлектрики); подробнее о них см., например, в [1]. Новый класс магнитопроводов ГАММАМЕТ® [2] может полностью заменить указанные выше магнитопроводы. ГАММАМЕТ® - зарегистрированный товарный знак Научно-производственного предприятия "Гаммамет" на сплавы и магнитопроводы [3].

    Магнитопроводы ГАММАМЕТ® изготавливают из аморфной ленты толщиной 20...25 мкм, полученной из сплавов на основе железа или кобальта. Принцип получения аморфной ленты состоит в разливке металлического расплава заданного химического состава на участок поверхности вращающегося бронзового диска, перемещающийся с линейной скоростью около 25 м/с. В результате резкого охлаждения со скоростью до 10⁶°С/с металлический расплав не успевает кристаллизоваться и полученная лента имеет аморфную структуру, аналогичную структуре стекла.

    После термической обработки структура ленты может либо остаться аморфной, либо стать частично кристаллизованной, либо нанокристаллической.

    В материале с нанокристаллической структурой кристаллиты расположены по всему объему ленты и имеют размер около 10 нм. Поэтому такие материалы и называют нанокристаллическими.

    Частичную кристаллизацию получают прерыванием процесса на начальной стадии термической обработки. Кристаллизованный материал занимает меньший объем, чем этот же материал с аморфной структурой, из-за плотной упаковки атомов. В результате поверхностные слои толщиной не более 1 мкм, в которых вырастают кристаллиты на начальной стадии, сжимают центральный слой ленты с аморфной структурой.Такая слоеная структура ленты (кристаллическая - аморфная - кристаллическая) обеспечивает линейность кривой намагничивания материала.

    Маркировка сплавов ГАММАМЕТ® состоит из сокращенного наименования товарного знака ГМ и трех цифр, которые определяют химический состав сплава: первая цифра - основной элемент (4 - железо, 5 - кобальт), вторая и третья цифры - код химического состава сплава. Например, ГМ501 - магнитомягкий сплав на основе кобальта.

    Магнитопроводы получают намоткой аморфной ленты на оправки разных форм и размеров и последующей термической обработкой. Все магнитные материалы под действием механических напряжений изменяют магнитные свойства, и, наоборот, в магнитном поле объект из магнитного материала претерпевает деформацию (явление магнитострикции). Поэтому для сохранения высоких магнитных свойств магнитопровода после отжига его помещают в защитный пластиковый контейнер и заливают вязким компаундом (рис. 1). Компаунд 3 предохраняет магнитопровод 1 от ударов и смещения внутри контейнера 2. В качестве компаунда используют вазелин КВ-3 или другой материал, не ухудшающий магнитных свойств магнитопровода.

    Маркировка магнитопроводов ГАММАМЕТ® в защитном контейнере состоит из обозначения магнитного сплава, из которого изготовлен магнитопровод, и буквы А или В. Буквы характеризуют условия термической обработки: А - отжиг в продольном магнитном поле (вдоль магнитного пути магнитопровода), В - отжиг в поперечном магнитном поле (перпендикулярно торцевой поверхности магнитопровода и вдоль поверхности ленты). Если дополнительной буквы в маркировке магнитопровода нет, то это обозначает, что он отожжен без магнитного поля.

    На примере сплава ГМ503 (табл. 1 и рис. 2) видно, насколько значительно различаются магнитные характеристики после отжига в продольном магнитном поле (ГМ503А) и поперечном магнитном поле (ГМ503В). Вообще такая сильная зависимость магнитных свойств от условий термической обработки является характерной особенностью магнитомягких аморфных материалов и подчеркивает большие возможности, заложенные в них.

Таблица 1

Магнито- провод	Магнитная индукция насыщения(1) Тл	Начальная относит. магн. прони- цаемость	Макси- мальная относит. магн. прони- цаемость	Коэфф. прямоу- гольности стати- ческой петли гисте резиса(2)	Стати- ческая коэрци- тивная сила, А/м	Удельные магн. потери (0,2/20)(3) Вт/кг	Удельные магн. потери (0,05/100)(4) Вт/кг	Темпера- тура Кюри, °С	Плотность (удельный вес), кг/м3	Магнито- стрикция насыщения
ГМ501	0,46	150000	600000	0,6	0,15	3,6	3,6	160	7700	<0,2.10-6
ГМ503A	0,58	5000	1500000	0,9	0,2	8,5	10	260	7700	0,1.10-6
ГМ503В	0,58	40000	50000	0,04	0,25	2,6	2,8	260	7700	0,1.10-6
ГМ414	1,15	60000	300000	0,6	1	4,5	4,3	600	7400	1,5.10-6
ГМ412А	1,12	10000	600000	0,9	1,2	10	11	610	7400	1,5.10-6
ГМ412В	1,12	30000	45000	0,05	1,2	3	3,5	610	7400	1,5.10-6
ГМ440А	1,5	1000	200000	0,9	4	30	45	420	7300	25.10-6
ГМ440В	1,5	8000	20000	0,05	4	8	5	420	7300	25.10-6

(1) Все характеристики в таблице указаны для температуры 25°С.
(2) Коэффициент прямоугольности статической петли гистерезиса равен К_п = В_r/B_s, где B_r - остаточная магнитная индукция; B_s - магнитная индукция насыщения.
(3) Измерены при B_m=0,2 Т_л и f = 20 кГц (В_m - максимальная магнитная индукция; f - частота).
(4) Измерены при В_m = 0,05 Т_л и f = 100 кГц.

    Заметим, что материал магнитопроводов ГМ501, ГМ503А и ГМ503В, ГМ440А и ГМ440В после термической обработки имеет аморфную структуру, а материал магнитопроводов ГМ414, ГМ412А и ГМ412В - нанокристаллическую структуру. При расчете электромагнитных компонентов, в которых использованы магнитопроводы в защитных контейнерах, необходимо учитывать коэффициент заполнения магнитопровода магнитным материалом, равный 0,7 для ленты толщиной 20...25 мкм.

    Магнитопроводы в защитных контейнерах имеют кольцевую форму, а их размеры соответствуют ряду типоразмеров ОЛ по ГОСТ 24011-80 [4]. Так, ОЛ20/32-10 - ленточный кольцевой магнитопровод с наружным диаметром 32, внутренним 20 и высотой 10 мм. Указанные цифры соответствуют размерам магнитопровода, а не контейнера, в который он помещен. Типоразмеры наиболее распространенных магнитопроводов ГАММАМЕТ® в защитных контейнерах представлены в табл. 2. Магнитопроводы в контейнерах могут иметь также прямоугольную форму. Обязательное применение защитных контейнеров ограничивает выбор типоразмеров этого класса изделий.

Таблица 2

Магнитопровод	Размеры магнитопровода, мм			Размеры контейнера, мм			Средняя длина магнитного пути, см3	Действующее(1) сечение, см2	Объем, см
	dH	dB	h	DH	DB	H
ОЛ14/20-10	20	14	10	23	10,7	12,5	5,3	0,21	1,11
ОЛ15/25-10	25	15		29	12,5	13,5	6,3	0,35	2,21
ОЛ20/32-10	32	20		34	17,5		8,2	0,42	3,44
ОЛ28/45-10	45	28		50	23,3	15,3	11,5	0,6	6,9
ОЛ40/64-20	64	40	20	69	36	26	16,3	1,68	27,4
ОЛ40/64-30			30	70		36,5		2,52	41,1
ОЛ135/170-20	170	135	20	178	117	26,5	47,9	2,45	117
ОЛ140/200-35	200	140	35	208	135	39,5	53,4	7,35	392

(1) - Действующее сечение равно геометрическому, умноженному на коэффициент заполнения.

    Магнитопроводы ГАММАМЕТ® класса ДС (рис. 3) при намотке ленты пропитывают клеем, поэтому они имеют жесткую конструкцию и без защитного контейнера. У такого магнитопровода слабее воздействие механических факторов на магнитные свойства. Дополнительную жесткость магнитопроводу придает наружное покрытие толщиной от 0,4 до 1,2 мм из полимерных изоляционных материалов, выдерживающее напряжение не менее 5 кВ.

    Принята следующая система обозначений магнитопроводов класса ДС. После сокращенного наименования товарного знака - ГМ следуют две цифры: первая обозначает группу по основной магнитной характеристике и соответствующую ей область применения (табл. 3); вторая - указывает на химический состав сплава, а последующие буквы Д - на наличие внешнего изоляционного покрытия на магнитопроводе и С - на межвитковую изоляцию, образованную специальным клеем.

    Магнитопроводы класса ДС изготовлены из композиционного материала. Их физические и магнитные свойства представлены в табл. 4. Обозначение магнитопроводов аналогично ферритовым и магнитодиэлектрическим [5]. Например, К32(20(10 - наружный диаметр 32, внутренний - 20 и высота 10 мм (без учета толщины изоляционного покрытия).

    Выбор типоразмеров магнитопроводов класса ДС очень широк - начиная от 5 мм для внутреннего диаметра до 400 мм для наружного. Форма магнитопровода может быть кольцевой или прямоугольной. Типоразмеры разрезных магнитопроводов видов ПЛ и ШЛ ГМ24ДС соответствуют ГОСТ 22050-76 [6].

Таблица 3

Группа	Область применения	Основные требования к магнитным свойствам	Магнитопроводы ГАММАМЕТ®
1	Измерительные трансформаторы и дроссели	Высокая начальная магнитная проницаемость	ГМ501; ГМ414; ГМ11ДС; ГМ14ДС
2	Трансформаторы сетевые, согласующие, широкополосные	Низкие удельные магнитные потери; высокая магнитная индукция	ГМ414; ГМ14ДС; ГМ24ДС
3	Насыщающиеся дроссели; задающие трансформаторы; магнитные усилители	Высокий коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса; низкая динамическая коэрцитивная сила	ГМ503А; ГМ412А; ГМ440А
4	Трансформаторы импульсные и сигнальные	Низкий коэффициент прямоугольности петли магнитного гистерезиса; высокая магнитная индукция	ГМ503В; ГМ412В;ГМ440В; ГМ40ДС
5	Накопительные трансформаторы и дроссели; токоограничивающие, сглаживающие и помехоподавляющие дроссели	Высокая запасаемая магнитная энергия	ГМ54ДС; ГМ40ДС

Таблица 4

Магнито- провод	Магнитная индукция насыщения, Тл	Начальная относит. магн. прони- цаемость	Макси- мальная относит. магн. прони- цаемость	Коэфф. прямоу- гольности стати- ческой петли гистерезиса	Стати- ческая коэрци- тивная сила, А/м	Удельные магн. потери (0,2/20), Вт/см3	Удельные магн. потери (0,05/100), Вт/см3	Темпера- тура Кюри,° С	Плотность (удельный вес), кг/м3	Магнито- стрикция насыщения
ГМ11ДС	0,32	70000	150000	0,5	0,4	35	35	160	5400	<0,2.10-6
ГМ14ДС	0,8	20000	50000	0,35	2,5	70	60	600	5200	1,5.10-6
ГМ40ДС-2000	1	2000	8000	0,2	10	550	80	420	5100	25.10-6
ГМ40ДС-1500		1500	2200	0,06	12	620	90
ГМ40ДС-1000		1000	1300		16	730	100
ГМ40ДС-700		700	850	0,05	20	840	130
ГМ40ДС-500		500	600		30	1040	190
ГМ40ДС-350		350	500	0,1	40	1660	290
ГМ54ДС-1000	0,8	1000	1030	<0,01	3	100	80	600	5200	1,5.10-6
ГМ54ДС-700		700	715			120	90
ГМ54ДС-500		500	510			130	100
ГМ54ДС-350		350	357			150	110
ГМ54ДС-250		250	255			180	130
ГМ54ДС-140		140	143			210	160
ГМ54ДС-90		90	91			270	200
ГМ54ДС-60		60	60		4	350	260
ГМ54ДС-30		30	30			520	380

    Магнитопроводы ГМ11ДС изготовлены на основе сплава ГМ501, магнитопроводы ГМ14ДС, ГМ24ДС, ГМ54ДС - на основе сплава ГМ414, а ГМ40ДС - на основе сплава ГМ440 с частично кристаллизованной структурой после термической обработки.

    Технические условия на магнитопроводы ГАММАМЕТ® гарантируют температурную и временную стабильность изделий при воздействии на них нагревания до 125°С и охлаждения до -60°С, относительной влажности воздуха до 100 % при температуре 35°С, атмосферного давления от 0,00013 Па до 297 кПа.

    При эксплуатации в течение 5000 ч при температуре 125°С магнитные параметры магнитопровода изменяются не более чем на 10...20 % для разных марок. Полный срок службы - не менее 30 лет. Магнитопроводы ГАММАМЕТ® безотказны в работе при соблюдении требований соответствующих технических условий. Гарантийный срок хранения - до 15 лет. Гарантийный срок эксплуатации - 6 лет со дня введения в эксплуатацию в пределах гарантийного срока хранения.

    На сплавы и магнитопроводы получено более 20 патентов России. Более подробную информацию о магнитопроводах ГАММАМЕТ® можно получить по сети Интернет http://gammamet.uralinfo.ru или по электронной почте gammamet@dialup.mplik.ru или непосредственно на предприятии по факсу (3432) 45-84-90 и телефонам 42-83-79, 42-83-52.

    Сравнение материала магнитопроводов ГАММАМЕТ® с традиционными магнитными материалами показывает его превосходство почти по всем параметрам [1, 7-9]. В табл. 5 указано, какими магнитопроводами ГАММАМЕТ® можно заменить магнитопроводы из традиционных материалов.

Таблица 5

Магнитопроводы из традиционных магнитных материалов	Магнитопроводы ГАММАМЕТ®
Пермаллой 79НМ, 80НХС, 81НМА	ГМ501, ГМ414, ГМ11ДС, ГМ14ДС
Ферриты 700НМ, 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 2500НМС, 3000НМ, 6000НМ	ГМ414, ГМ14ДС, ГМ40ДС
Прецизионный сплав 50НП, феррит 108П	ГМ503А, ГМ412А, ГМ440А
Прецизионный сплав 47НК	ГМ503В, ГМ412В, ГМ440В, ГМ40ДС-1000, ГМ40ДС-1500, ГМ54ДС-1000
Магнитоэлектрики МП250, МП140, МП90, МП60, ТЧ-60, ТЧК-55, ВЧ-32	ГМ54ДС, ГМ24ДС
Анизотропная электротехническая сталь толщиной 0,08 и 0,30 мм	ГМ414, ГМ14ДС, ГМ40ДС1

(1) - При частоте 400 Гц и более. При частоте 50 Гц замена рациональна для трансформаторов тока и напряжения.

    Подобная замена без изменения конструкции позволяет улучшить электромагнитные параметры трансформаторов и дросселей. Если же произвести замену на стадии разработки, то при правильном выборе магнитопровода можно дополнительно добиться уменьшения габаритов, рабочей температуры и улучшения выходных параметров электромагнитных компонентов.

    Исходя из магнитных свойств материала ГАММАМЕТ®, можно сделать вывод, что магнитопроводы из него покрывают всю частотную область применения от 50 Гц до 20 кГц, а в некоторых случаях до 1 МГц (рис. 4).

Литература

1. Русин Ю. С., Гликман И. Я., Горский А. Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1991.

2. Стародубцев Ю., Кейлин В. ГАММАМЕТ - новый материал магнитопровода. - Радио, 1994, # 6, с. 34, 35.

3. Свидетельство на товарный знак # 113227 (1993).

4. ГОСТ 24011-80. Магнитопроводы ленточные кольцевые. Конструкция и размеры.

5. ГОСТ 14208-77. Магнитопроводы кольцевые из марганец-цинковых ферритов.

6. ГОСТ 22050-76. Магнитопроводы ленточные. Типы и основные размеры.

7. Справочник по электротехническим материалам под ред. Корицкого Ю. В., Пасынкова В. В., Бареева Б. М., т. 3. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

8. Прецизионные сплавы. Справочник под ред. Молотилова Б. В., - М.: Металлургия, 1983.

9. Стародубцев Ю. Н. Трансформаторы напряжения на кольцевых магнитопроводах ГАММАМЕТ® 411. - Электричество, 1995, # 10, с. 63.