Говор Г.А., Вечер А.К., Митюк В.И.

Начно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, Беларусь

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНИКЕ

В настоящее время рядом фирм производятся композиционные магнитно-мягкие материалы на основе различных порошков железа с изолирующими слоями на поверхности частиц железа. Изолирующие слои препятствуют частицам железа контактировать друг с другом. В результате свойства известных композиционных магнитно-мягких материалов близки к свойствам ламинированных сердечников из электротехнической стали.

Для получения композиционных материалов нашли применение относительно дорогие порошки молибденового пермаллоя (МРР), сендаста и порошки с высокой индукцией High Flux (HF) и некоторые другие порошки на основе железа.

Однако наличие распределенного изолирующего немагнитного зазора приводит к снижению максимальной магнитной проницаемости материала до μ_m =100 - 300 и величины магнитной индукции порядка B_m = 1 Тесла.

Существенный прогресс в улучшении магнитных свойств композиционных материалов достигнут в настоящей работе за счет использования в качестве изолирующих покрытий различных магнитных оксидов – ферритов. При этом толщина изолирующих покрытий частиц железа была снижена до десятков нанометров [1].

Исследованы различные методы получения реакционных покрытий на поверхности частиц железа. А именно, метод высокотемпературного твердофазного синтеза в вакууме при температуре 900ºС, метод низкотемпературного реакционного синтеза разложением исходных компонентов и некоторые другие. В результате исследований оптимальным оказался метод предварительного нанесения покрытий с последующей ферритизацией поверхности частиц железа в процессе синтеза.

Предложенный метод образования реакционных покрытий на поверхности частиц железа позволил при давлении прессования порядка 5000-6000 кг/см² получить плотность готовых изделий после спекания 7,3-7,5 г/см³ .

На рис.1 приведена статическая кривая намагничивания композиционного магнитного материала на основе порошка ASC 100.29. Измерения выполнялись по индукционной методике на вибрационном магнитометре Vibrating Sample Magnetometer (VSM) фирмы Cryogenic Limited. Видно из приведенных данных, что процесс намагничивания в отличие от ламинированных Si-сталей близок к линейному при индукции насыщения ~2,1 Тесла. Для электротехнической стали индукция насыщения близка 1,8 Тесла.

Рис. 1. Статические кривые намагничивания композиционного магнитного материала на основе порошка ASC 100.29.

Наличие немагнитного изолирующего зазора между частицами железа в композиционном материале на основе порошка High Flux (HF) приводит к тому, что начальное значение магнитной проницаемости является и максимальным значением.

Рис. 2. Полевые зависимости магнитной индукции и проницаемости композиционного магнитного материала на основе порошка ASC 100.29.

В отличие от этого для порошков железа с ферритовым покрытием начальная проницаемость μ₀ = 80 -120, а максимальная проницаемость μ_m = 600-1200 (см. рис.2).

Магнитные свойства композиционного материала существенно зависят от давления прессования или плотности изделия. Кривые намагничивания в частотном диапазоне до 2000 Гц практически совпадают и имеют одинаковое поведение для магнитного материала на основе ASC 100.29.

На рис.3 приведены кривые частотной зависимости максимальной магнитной проницаемости для образцов на основе ASC100.29 с толщиной оксидного покрытия порядка 3 нм. Видно, что начальная магнитная проницаемость сохраняет свое значение в диапазоне частот до 1 МГц с максимумом добротности в интервале от 10 до 100 кГц.

Исследование суммарных потерь на перемагничивание в частотном диапазоне до 2 кГц и магнитной индукции до 1,5 Тесла композиционных материалов с МДМ-структурой при использовании в качестве изолятора частиц железа магнитного диэлектрика проводились с использованием водно-распыленных порошков Atomet 12001HP и ASC 100.29 совместно с Институтом электрических машин Вроцловского университета.

Рис.3. Частотные зависимости индуктивности и добротности для образцов на основе ASC100.29 с толщиной оксидного покрытия порядка 3 нм.

Из приведенных результатов следует, что потери на вихревые токи не превышают 0.5% от суммарных потерь на перемагничивание. Причем, для материала на основе ASC 100.29 вихревые потери существенно меньше.

Рис. 4. Суммарные потери на цикл как функция частоты при магнитной индукции В=1 Тл.

С использованием разработанных композиционных материалов на основе порошков железа ASC 100.29 разработаны и изготовлены опытные образцы инверторных источников питания до 10 кВт в частотном диапазоне до 100 кГц, дросселей различного назначения, опытные образцы электродвигателей для частотного диапазона до 20 кГц

В таблице 1 приведены сравнительные данные по композиционному материалу на основе ASC 100.29 и феррита с зазором при использовании в качестве сердечников для высокочастотных (40 кГц) трансформаторов.

Таблица 1

Сравнительные данные по источникам питания с использованием сердечника на основе железного порошка ASC 100.29 и феррита с зазором.

Тип сердечника	Ток (А)	Выходное напряжение (В)	Выходная мощность (кВт)	Потери мощности (%)	Q (40 кГц)	Цена долл./кг
Порошковое железо ASC 100.29	13	693	9	1,5	16	2
Феррит с зазором	3,5	187	0,65	2,6	8	20

Преимущества композиционного материала с МДМ-структурой на основе порошков железа ASC 100.29 становится очевидными при использовании в источниках питания с частотой до 100 кГц при мощностях выше 1 кВт. При мощностях до 1 кВт меньшие значения магнитной проницаемости требуют в сравнении с ферритными системами большего числа витков, и как следствие, растут потери в меди.

Надежность и стабильность работы в различных условиях источников питания на трансформаторах с сердечником из композиционного материала, определяемая высоким значением температуры Кюри – выше 800°С и магнитной индукцией насыщения 2,1 Тесла, компенсирует затраты на дополнительный расход медного провода и связанные с ним потери для источников с мощностью меньше 1 кВт.

Заключение.

Проведенные предварительные исследования композиционного магнитного материала на основе порошков железа ASC 100.29 и Atomet 1001HP, поверхность которых капсулирована ферритом, показали перспективу их применения в качестве дросселей, высокочастотных трансформаторов и статоров и роторов электромашин.

Литература:

1. Г.А.Говор, В.В.Михневич. Неорг. Мат. 2007, т.43, с 1-3