Аморфные и нанокристаллические сплавы для измерительных преобразователей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Юрий СТАРОДУБЦЕВ Владимир БЕЛОЗЕРОВ

[email protected]

Аморфные и нанокристаллические сплавы

для измерительных преобразователей

Использование магнитомягких аморфных и нанокристаллических сплавов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, позволяет повысить чувствительность измерительных преобразователей и точность преобразования измеряемых величин.

Измерительный преобразователь представляет техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, является первичным измерительным преобразователем, а конструктивно обособленный первичный преобразователь называют датчиком. Датчик выполняет роль своеобразного «органа чувств», который должен обладать высокой чувствительностью. Повысить чувствительность преобразователей и точность преобразования измеряемых величин позволяет использование магнитомягких материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью.

Сразу необходимо отметить, что магнитная проницаемость ферромагнитных мате-

риалов зависит от напряженности магнитного поля Н (рис. 1). В связи с этим определим основные типы магнитной проницаемости, которые наиболее часто приводят в справочных данных. В международной системе единиц измерения СИ используют относительную магнитную проницаемость:

в

Ц0Я’

где В — магнитная индукция в теслах (Тл), Н — напряженность магнитного поля в амперах на метр (А/м), ц0 = 4пх10-7 — магнитная постоянная в генри на метр (Гн/м). При этом относительная магнитная проницаемость характеризует возрастание магнитной индукции с увеличением напряженности магнитного поля. В большинстве случаев величины В и Н берутся по начальной (статической) кривой намагничивания. В зависимости от значения магнитного поля выделяют различные типы магнитной прони-

Н, А/м

Рис. 1. Зависимость нормальной р и дифференциальной относительной магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля Н по начальной кривой намагничивания. рн — начальная относительная магнитная проницаемость;

Ишах — максимальная относительная магнитная проницаемость; р008 — относительная магнитная проницаемость при напряженности магнитного поля Н = 0,08 А/м.

цаемости. Начальную относительную магнитную проницаемость щ находят экстраполяцией зависимости магнитной проницаемости ц = ц(Н) к нулю:

1 г в |Х„= — lim—.

На практике вместо начальной относительной магнитной проницаемости указывают близкое к ней значение относительной магнитной проницаемости, измеренное в достаточно слабом магнитном поле. Например, 08 обозначает относительную магнитную проницаемость, измеренную при напряженности магнитного поля 0,08 А/м. Наибольшее значение относительной магнитной проницаемости на кривой намагничивания называют максимальной относительной магнитной проницаемостью цтах.

Дифференциальная относительная магнитная проницаемость цd определяется соотношением:

Vd =

1 dB Но dH’

то есть она является производной функции В = В(Н) в некоторой точке Н, нормированной на магнитную постоянную. Производная йВ/ йН численно равна тангенсу угла наклона касательной в точке на кривой зависимости В = В(Н). Из определения следует уравнение:

которое связывает дифференциальную относительную магнитную проницаемость ^ и относительную магнитную проницаемость ц. Последнюю величину иногда называют нормальной относительной магнитной проницаемостью, чтобы подчеркнуть ее отличие от дифференциальной проницаемости. Диффе-

ренциальная магнитная проницаемость достигает наибольшего значения в более слабом магнитном поле, и ее максимальное значение всегда больше цтах. Кривые ц = ц(Н) иц = ^ (Н) пересекаются в точке ц = ^ = цтах, поскольку здесь дц/дН = 0.

Синусоидальные величины магнитной индукции и напряженности магнитного поля можно представить в комплексной форме, которой соответствует понятие комплексной магнитной проницаемости:

1-1: в„

Ве

\>-аНт

• Вя ■

------cos\|/-y—— sin\|/ =

\i0Hm \УйНт

Ц-УМ-2.

где у = Ун -Ув — угол между векторами напряженности магнитного поля и магнитной индукции, который также называют углом потерь, поскольку тангенс этого угла равен отношению магнитных потерь и обратимой части удельной полной намагничивающей мощности. Полная амплитудная магнитная проницаемость или модуль комплексной магнитной проницаемости ц равен отношению:

Ц =

вш

Магнитная проницаемость зависит от частоты переменного магнитного поля. Причем ее снижение с ростом частоты происходит наиболее значительно в материале и при напряженности магнитного поля, где имеется высокая магнитная проницаемость (рис. 2). В металлических ферромагнетиках это объясняется, главным образом, снижением глубины проникновения магнитного поля в материал с высокой магнитной проницаемостью

8Й =

В=В„

1-а(Г/Гс)2

Рис. 2. Типичные динамические кривые намагничивания магнитопровода ГМ 414. Цифрами у кривых указана частота 1 в килогерцах. Кривая 1 = 0 соответствует основной кривой намагничивания

Рис. 3. Зависимость коэрцитивной силы Нс от размера зерна (3 в магнитомягких материалах

то есть усилением скин-эффекта. В ферритах, где скин-эффект практически не выражен, снижение магнитной проницаемости с частотой обусловлено затуханием колебания доменных границ.

Из теории следует [1], что коэрцитивная сила н ~^к, а начальная магнитная проницаемость цн ~В5 /VК, где В5 — магнитная индукция насыщения, К — константа магнитной анизотропии. Очевидным следствием является также соотношение цн ~В5 /Нс. Если учесть, что магнитная индукция насыщения и температура Кюри Тс связаны законом Блоха:

ратуры Кюри Тс и константы магнитной анизотропии K.

Магнитная анизотропия в материале возникает вследствие кристаллографической анизотропии, под действием механических напряжений, а также в результате направленного атомного упорядочения в процессе охлаждения в магнитном поле. Подавить влияние кристаллографической анизотропии можно за счет уменьшения размера зерна. На рис. 3 представлена зависимость коэрцитивной силы Ис от размера зерна d в поли-кристаллических магнитомягких материалах. С уменьшением размера зерна примерно до 100 нм коэрцитивная сила растет пропорционально величине 1/d вследствие увеличения плотности дефектов (объемной доли

межзеренных границ). При этом макроскопическая магнитная анизотропия материала совпадает с локальной магнитной анизотропией отдельных кристаллитов. Если размер зерна меньше некоторой длины, а именно длины магнитной обменной корреляции, то происходит ослабление макроскопической магнитной анизотропии вследствие меж-зеренного взаимодействия. При этом коэрцитивная сила снижается с уменьшением размера зерна пропорционально d6 (модель случайной магнитной анизотропии). Этот механизм ослабления кристаллографической магнитной анизотропии действует также в аморфных сплавах, в которых имеется ближний атомный порядок — нанокластеры размером менее 1 нм.

Таблица. Типичные магнитные свойства магнитопроводов ГАММАМЕТ с высокой начальной магнитной проницаемостью

то материал с наивысшей магнитной проницаемостью должен иметь низкие значения магнитной индукции насыщения В;, темпе-

Марка Bs, Тл Br/Bs ис, А/м Н0,08 Hmax но* “ И я о- Е B Х*х106 Tc, °C

ГМ 414 1,17 0,6 1,0 60 000 300 000 4,5 1,5 600

ГМ 501 0,43 0,6 0,15 150 000 600 000 3,6 <0,2 150

Рис. 4. Коэрцитивная сила Нс и температура Кюри Тс в зависимости от начальной относительной магнитной проницаемости в аморфных сплавах на основе кобальта с магнитострикцией насыщения * 0

Рис. 5. Расчетные (сплошные линии) и измеренные (точки) угловые погрешности трансформатора тока 8 в минутах для электронного счетчика электрической энергии. Номинальные параметры: 11ном = 5 А, zn = 50 Ом, cos ф2 = 1,

W| = 1, W2= 3000, I1/11()ом = 0,01... 10, магнитопроеоды ОЛ20/32-10 ГМ 414 — 2-й класс и ГМ 501 — 1-й класс

Минимальную магнитную анизотропию ~Х;а, обусловленную напряжением а, обеспечивает константа магнитострикции Х;, значение которой близко к нулю. Таким образом, все магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью должны иметь практически нулевую константу магнитост-рикции. Процесс направленного атомного упорядочения обычно ослабляют быстрым охлаждением материала ниже температуры Кюри. Однако полностью его можно подавить только тогда, когда температура Кюри материала будет ниже температуры диффузионной активности атомов, а именно ниже примерно 180 °С.

На рис. 4 представлены зависимости коэрцитивной силы Нс и температуры Кюри Тс от начальной магнитной проницаемости цн в аморфных сплавах на основе кобальта с близкой к нулю магнитострикцией насыщения, которые иллюстрируют рассмотренные выше закономерности. Типичные магнитные свойства аморфного сплава ГМ 501 с наивысшей начальной магнитной проницаемостью представлены в таблице. Здесь же приведены типичные свойства нанокристал-лического сплава ГМ 414 с высокой магнитной проницаемостью.

Приведем некоторые примеры использования магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью в измерительных преобразователях. Трансформатор тока предназначен для передачи сигнала измерительной информации приборам измерения, защиты, автоматики, сигнализации и управления в электрических цепях переменного тока. В трансформаторе тока при нормальных условиях применения вторичный ток практически пропорционален первичному току и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий к нулю. Если воспользоваться эквивалентной схемой трансформатора, то для комплексных величин отношение первичного тока 11 к приведенному вторичному току 12 можно представить в виде соотношения [2]:

А . Ъ+г:

Г z *

12 ^0

где и Т’н — приведенные комплексные сопротивления вторичной обмотки и нагрузки соответственно, а:

_U0 _ jmvr ф0 _

0 /0 кы

BS

Ж

- = J(ifW1 Щ10

L

представляет комплексное сопротивление первичной обмотки трансформатора, обусловленное основным магнитным потоком Ф0. Из полученного соотношения следует, что необходимым условием пропорциональности первичного и вторичного токов является низкое комплексное сопротивление вторичной обмотки 22 и нагрузки 2н, то есть трансформатор тока должен работать в режиме короткого замыкания, а также высокое сопротивление 20, то есть магнитопровод должен иметь высокую магнитную проницаемость -, большую площадь поперечного сечения 5 и низкую среднюю длину магнитной линии Ір.

В приближении малых углов 8 между током в первичной и вторичной цепях токовую ^ и угловую 8 погрешности трансформатора можно представить в виде:

8Іп(а2+\|/), 8 = —со8(а2+\|/),

где магнитодвижущие силы:

F02 — Н1ср—

щцл/2 ’

:

а а2 — угол между вторичным током и ЭДС вторичной обмотки, обусловленной основным магнитным потоком. Таким образом, погрешность преобразования трансформатора тока напрямую связана с магнитной про-

ницаемостью ц в рабочей точке Вт. Чем выше магнитная проницаемость, тем меньше погрешность измерения. В трансформаторе тока с магнитопроводом из анизотропной электротехнической стали погрешность резко возрастает при небольших токах, поскольку в этой области начальная относительная магнитная проницаемость в электротехнической стали равна примерно 1000. В аморфном сплаве ГМ 501 гарантируется значение начальной относительной магнитной проницаемости не менее 100 000 (в нанокристалли-ческом сплаве ГМ 414 — не менее 45 000) [3], что на два порядка выше, чем в электротехнической стали. Таким образом, использование аморфных и нанокристаллических сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью позволяет повысить класс измерительных трансформаторов тока, в частности, резко повысить точность измерений слабых токов.

На рис. 5 представлены результаты расчета (сплошные линии) и измерения (точки) угловой погрешности 8 трансформатора тока, используемого в электронном счетчике электрической энергии. Номинальные параметры: 11ном = 5 А, гп = 50 Ом, cos ф2 = 1, w1 = 1, w2 = 3000, /1//1ном = 0,01...10, магнито-провод 0Л20/32-10 ГМ 414 — 2 класс или ГМ 501 — 1 класс. Диаметр провода вторичной обмотки d2 = 0,14 мм. Из рис. 5 следует, что погрешности трансформатора тока с магни-топроводом ГМ 501 примерно в два раза ниже, чем с магнитопроводом ГМ 414. Это сопоставимо с магнитной проницаемостью указанных типов магнитопроводов. Измеренные погрешности ниже рассчитанных значений, поскольку расчет проводился с запасом.

Устройство защитного отключения представляет устройство защиты человека от поражения электрическим током, а также защиты от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и электрооборудования. Устройство защитного отключения, управляемое дифференциаль-

Рис. 6. Схематическое изображение устройства защитного отключения, управляемого дифференциальным током:

1 — дифференциальный трансформатор,

2 — вторичная обмотка трансформатора,

3 — первичная обмотка трансформатора,

4 — обмотка реле,

5 — магнитоэлектрическое реле,

6 — механическая передающая система,

7 — коммутационные контакты

ным (разностным) током, схематически изображено на рис. 6. Оно состоит из дифференциального трансформатора (1), на вторичную обмотку (2) которого нагружена обмотка (4) магнитоэлектрического реле (5). Первичная цепь трансформатора (3) состоит из двух симметричных обмоток, включенных так, что ток в них протекает навстречу друг другу. Пока значение тока в симметричных обмотках одинаково, электродвижущая сила во вторичной обмотке не наводится. При возникновении утечки тока, вызванной пробоем изоляции на корпус или непреднамеренном прикосновении человека к открытым проводящим частям, нарушается равенство токов в обмотках, и под влиянием разности этих токов Д11 во вторичной обмотке наводится электродвижущая сила, обеспечивающая срабатывание реле. Исполнительный механизм через механическую передающую систему (6) воздействует на коммутационные контакты (7), разрывая контролируемую линию.

Из расчета дифференциального трансформатора можно найти соотношение, связывающее относительную магнитную проницаемость магнитопровода ц с мощностью срабатывания реле Р, током утечки Д11, числом витков первичной обмотки w1 и размерами магнитопровода:

вт = 4гр |У

Ц ц0Ят тс/ЦоСД/^)2^/

Из соотношения следует, что к магнитной проницаемости материала магнитопровода будут предъявлены менее жесткие требования, если при заданной частоте f и заданном токе утечки Д11 увеличить число витков первичной

Рис. 7. Относительная магнитная проницаемость р материала магнитопровода, имеющего типоразмер К20х 12x20, в зависимости от мощности срабатывания реле Р устройства защитного отключения для различного числа витков первичной обмотки W1 при токе утечки Д11 = 30 мА и частоте 50 Гц

обмотки и1. Магнитопровод должен иметь минимально возможную среднюю длину магнитной линии 1ср при выбранном сечении 5, то есть форма магнитопровода должна быть стаканчатой — минимальный диаметр при большой высоте магнитопровода. Ухудшение качества реле (увеличение мощности срабатывания Р) приводит к повышению требований к магнитной проницаемости материала магнитопровода. На рис. 7 представлена относительная магнитная проницаемость материала, из которого выполнен магнитопровод типоразмера К20х12х20, в зависимости от мощности срабатывания реле Р при различном числе витков первичной обмотки и1 для тока утечки Д11 = 30 мА при частоте f = 50 Гц. Типичные реле имеют мощность срабатывания около 50 мкВт. Из рис. 7 следует, что при одном первичном витке магнитопровод устройства защитного отключения должен иметь относительную магнитную проницаемость в рабочей точке не менее 300 000 при частоте 50 Гц.

Феррозонд представляет первичный магнитомодуляционный преобразователь, используемый в качестве магнитометра для преобразования магнитной индукции или ее градиента в электрический сигнал. Действие феррозонда основано на модуляции магнитного состояния ферромагнитного сердечника с помощью вспомогательного переменного магнитного поля [5]. Феррозонд иногда называют ферромодуляцион-ным преобразователем, подчеркивая его принадлежность к магнитомодуляционным преобразователям (магнитным модуляторам). Феррозонд состоит из магнитопрово-да, обмотки возбуждения иЕ, питаемой переменным синусоидальным током частотой 1-300 кГц, и измерительной обмоткой ии. В дифференциальном феррозонде (рис. 8)

обмотка возбуждения наносится так, чтобы создавать одинаковые встречные переменные магнитные потоки в двух половинках магни-топровода. В отсутствие измеряемого постоянного (или медленно изменяющегося по сравнению с частотой возбуждения) магнитного поля ЭДС на измерительной обмотке близка к нулю. В постоянном магнитном поле Н0 в ЭДС возникают четные гармоники, амплитуда которых пропорциональна проекции вектора напряженности измеряемого магнитного поля на магнитную ось сердечника Н0 и скорости изменения дифференциальной магнитной проницаемости dцd/dt:

е = -2ц0и^Я0^.

Таким образом, измерительный сигнал феррозонда появляется при изменении во времени магнитной проницаемости магни-топровода, при этом кривая намагничивания

о о

Но

¿гС

л

о

1

Й 2

Рис. 8. Схематическое изображение дифференциального кольцевого феррозонда

должна иметь нелинейный характер. Чувствительность феррозонда будет наибольшей, если колебания магнитного поля происходят в области, где материал магнитопровода имеет высокую дифференциальную магнитную проницаемость.

Электромагнитная система защиты товара от краж состоит из антикражных ворот и магнитной этикетки, которая наносится на товар. В двух стойках ворот установлены антенна, которая излучает синусоидальное магнитное поле частотой 10-1000 Гц, и приемник. Этикетка представляет полоску аморфного сплава с высокой магнитной проницаемостью длиной 40-80 мм и шириной около 1 мм. Полоска вдоль своей длины разделена несколькими короткими магнитотвердыми участками с коэрцитивной силой 1,5-8 кА/м, которые служат включателями-выключателями постоянного магнитного поля для более длинных магнитомягких участков. Магнитотвердое состояние обычно получают путем локальной кристаллизации аморфной ленты. В активированном состоянии этикетка размагничена. Поэтому в слабом переменном магнитном поле излучателя магнитомягкие участки перемагничиваются, генерируя дополнительные импульсы, которые искажают синусоидальный сигнал. Несинусоидальное напряжение на приемнике активирует сигнал тревоги. Дезактивация этикетки производится в сильном внешнем постоянном магнит-

ном поле. После его отключения магнитотвердые участки этикетки сохраняют остаточную намагниченность и намагничивают магнитомягкий материал до насыщения. В этом состоянии переменное магнитное поле не вызывает перемагничивания этикетки и не искажает синусоидальный сигнал на приемнике. Преимущество электромагнитной системы защиты заключается в возможности многократного использования этикеток, низкой стоимости, а недостаток связан с ненадежностью, обусловленной, в частности, зависимостью обнаружения метки от ориентации постоянного магнитного поля. ■

Литература

1. Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2002.

2. Стародубцев Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности. М.: РадиоСофт, 2005.

3. ТУ 1261-030-12287107-2007 «Магнитопроводы ленточные кольцевые ГАММАМЕТ в защитных контейнерах».

4. Стародубцев Ю. Н., Белозеров В. Я., Зеленин В. А. Расчет условий применения аморфных и нано-кристаллических сплавов в устройствах защитного отключения // Сталь. 2001. № 5.

5. Афанасьев Ю. В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат, 1986.