Не всякий материал можно использовать в качестве магнитопровода. В выборе материала обычно помогает знание формы его кривой гистерезиса. Например, если кривая гистерезиса ферромагнетика имеет узкую вытянутую форму, то это указывает на то, что такой материал можно использовать в качестве магнитопровода ненасыщающегося транформатора. Если кривая гистерезиса имеет прямоугольную форму, то такой материал можно использовать в магнитопроводе насыщающегося трансформатора.
Магнитные материалы, которые используют для производства магнитопроводов, подразделяют на три категории:
- диэлектрические,
- полупроводниковые,
- проводниковые.
К магнитно-диэлектрическим материалам относят альсиферы, пресспермы, карбонильное железо и другие вещества. К магнитополупроводниковым материалам относят ферриты, а к магнито-проводниковым – трансформаторную сталь, пермаллои, аморфные металлы.
Магнито-диэлектрические или, как их еще называют, порошкообразные материалы представляют собой результат прессования под высоким давлением диэлектрических и ферромагнитных порошков. Диэлектриком обычно выступает бакелитовая смола или стеклоэмали. В итоге каждая частичка ферромагнетика оказывается заключенной в оболочку из диэлектрического вещества, в результате чего велико электрическое сопротивление материала, широк диапазон допустимых рабочих частот и малы удельные потери на высокой частоте.
Типичным представителем магнитных диэлектриков является альсифер. Название данного материала – аббревиатура из первых букв латинских названий веществ, составляющих данный сплав: aluminium, silicium, ferrum. Отличительная особенность альсифера – отрицательный относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости и возможность работы в сильных магнитных полях с напряженностью до 2000 А/м и даже более при отсутствии выраженного насыщения. Благодаря первой особенности, альсифер можно использовать для температурной стабилизации индуктивности, а благодаря второй – применять его в высокочастотных дросселях, ток через которые может составлять от десятков до сотен ампер. Среди распространенных альсиферов отечественного производства можно выделить материалы марок ТЧК -55, ТЧ -60, ТЧ – 90, ВЧ-32 и др. Их магнитная проницаемость зашифрована в обозначении и достигает несколько десятков. Например, для альсифера ТЧК-55 проницаемость составляет от 48 о 58 (примерно 55), для ВЧ-22 она может быть от 19 до 24 (примерно 22) и т. д.
К типичным полупроводниковым магнитным материалам относят ферриты. Они напоминают керамику, имеют преимущественно черный цвет, хрупки и тверды. Их изготавливают из порошка, называемого шихтой, металла (обычно двухвалентного) и наполнителя путем прессования в формах и последующего спекания при температуре 800…1400 0С. В качестве двухвалентного металла может выступать цинк, никель, медь, кобальт, железо, кадмий и пр. Наполнителем служит вода, камфара, парафин или другие вещества.
Благодаря технологии изготовления, электрическое сопротивление ферритов велико (хотя ниже, чем у диэлектриков), очень широк диапазон допустимых рабочих частот и малы удельные потери на высокой частоте. Ферриты чаще всего используют в качестве магнитопроводов импульсных трансформаторов.
На территории России и стран СНГ широко распространены отечественные цинковые ферриты марок 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ (см. Рис.1), 3000НМ, 4000НМ, 6000НМ, и никель-цинковые ферриты 200НН, 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН, 150ВЧ, 50ВЧ2. Цифры в маркировке ферритов указывают на магнитную проницаемость, а буквы говорят о химическом составе.
Рис.1. Тороидальный ферритовый магнитопровод М2000НМ.
Чем выше частоты, на которые рассчитаны ферриты, тем обычно ниже их магнитная проницаемость. Указанные выше ферриты предназначены для эксплуатации в слабых магнитных полях до 800 А/м, и потому в маломощных источниках питания их использовать можно, а в мощных – не следует ввиду снижения магнитных параметров.
Для эксплуатации в сильных магнитных полях (на это в обозначении указывает буква «С») разработаны отечественные ферриты 2500НМС1, 2500НМС2, 3000НМС и 2500НМС1. Никель-цинковые ферриты обладают меньшим удельным сопротивлением, чем марганец- цинковые, и потому способны работать на более высоких частотах. Поэтому при изготовлении мощных высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из марганец-цинковых ферритов для снижения потерь рекомендуют набирать магнитопроводы из частей, прокладывая между ними тонкие слои изоляции.
Импортные ферриты обычно обладают лучшими магнитными параметрами, чем отечественные, в частности , – меньшими удельными потерями. По этой причине до появления отечественных ферритов с лучшими параметрами и меньшей стоимостью желательно пользоваться импортными, например, производства «Cosmo ferrites» или «Epcos».
Материалы для производства изделий из проводниковых магнитных сердечников – это или вспеченные в вакууме аморфные металлы и сплавы, или выполненные в виде пластин или лент из железоникелевого сплава (см. Рис.2 ), называемые пермаллоями, или трансформаторные стали. Аморфные сплавы обладают низкими потерями на перемагничивание и способны работать в качестве магнитопроводов трансформаторов на частотах примерно до 200 кГц. Наиболее известны магнитопроводы из аморфных сплавов, изготовленных компанией «Гамлет».
Рис.2, а. Пластины из железоникелевого сплава для мощного Ш-образного трансформатора
Рис.2, б. Пластины из железоникелевого сплава для тороидального трансформатора средней мощности
В отличие от ферритов и альсиферов, у проводниковых материалов были достигнуты исключительно высокие показатели магнитной проницаемости, которая, в частности, для аморфного сплава ГМ501 может достигать 600 000. Магнитопровода из пермаллоев обладают магнитной проницаемостью до 200 000 и могут работать на частотах вплоть до нескольких десятков килогерц.
Магнитопроводы компонентов, которые работают на частотах 50 Гц, 60 Гц или 400 Гц, обычно – стальные (см. Рис.3), а используемую сталь называют трансформаторной или электротехнической. Сталь изготавливают холоднокатаной (например, марок Э320, Э330А и т.д.) или горячекатаной (например, Э43 и т.п.).
Рис.3. Маломощный трансформатор на стальном Ш-образном сердечнике
Магнитопроводы выполненные из ленты холоднокатаной2 трансформаторной стали марок Э310–Э360, способны функционировать в диапазоне частот до нескольких килогерц. С повышением частоты в трансформаторной стали возрастают потери, и увеличивается нагрев магнитопровода, что ограничивает максимальную частоту.