Ostale lastnosti feromagnetnih materialov

Transcript

1 Ostale lastnosti feromagnetnih materialov Magnetostrikcija Slika 5.32a Magnetostrikcija pri železu in pri niklju

2 Vpliv ovir pri magnetenju Oblike pregrad in domen pri feromagnetnih materialih

3 Karakteristiki J = f(h) in B = f(h)

4 Statična in dinamična histerezna zanka Statična in dinamična histerezna zanka

5 Permeabilnost magnetnih materialov Absolutna permeabilnost µ = B H Ponazarja prirastek gostote magnetnega pretoka z jakostjo polja na magnetilni krivulji Relativna permeabilnost µ r µ B = = µ µ H 0 0 Primer: relativno permeabilnosti pri jakostih polja 2500, 5000, A/m itd zapišemo kot µ 25, µ 50, µ 100, itd.

6 Začetna permeabilnost Dobimo jo z meritvami pri majhnih vrednostih magnetne poljske jakosti z ekstrapolacijo proti nič (H 0) 1 µ i = lim µ H 0 0 B H

7 Maksimalna permeabilnost µ max (µ m )

8 Izmenična (amplitudna permeabilnost µ (µamp, µ a ) B µ = $ H$ (za absolutne vrednosti) µ r = 1 µ 0 B$ H$ (za relativne vrednosti) Izmenično permeabilnost je možno podati tudi za efektivne vrednosti: µ = B H oziroma µ r = 1 µ 0 B H

9 Prirastna ali inkrementalna permeabilnost µ Če tvorimo razmerje med B in produktom µ 0 s spremembo H pri konstantnem predmagnetenju in periodičnem spreminjanju magnetne poljske jakosti: µ 1 = µ 0 B H Meritev lahko izvedemo ž pri H = konst. ali B = konst.

10 Reverzibilna permeabilnost µ rev Reverzibilna permeabilnost je primer mejne prirastne permeabilnosti, če gre H 0 1 µ rev = lim µ = H 0 µ db dh Prirastna, reverzibilna in permanentna permeabilnost

11 Permanentna permeabilnost µ rec µ rec 1 = µ 0 B H Permanentna permeabilnost: a) razlaga, b) izmerjena permanentna permeabilnost pri Alnico materialu

12 Efektivna permeabilnost µ e Efektivna permeabilnost ni konstanta materiala, ampak konstanta jedra, ker je zelo odvisna od njegove oblike in od dimenzij µ e l l j z Navidezna permeabilnost µ app = L µ app j L 0 pomeni razmerje med induktivnostjo tuljave z jedrom L j in brez jedra L 0 :

13 Kompleksna permeabilnost Impedanco tuljave v serijski vezavi lahko zapišemo: Z = Rjs + jωls = jω µ L0 rs µ rs Ls js = j R = µ Ls jµ rs L ωl 0 0 ' '' µ = µ j µ rs rs rs µ µ Ls = ' rs je realna induktivna relativna permeabilnost, ki je dejansko enaka do sedaj obravnavani relativni permeabilnosti Rs = '' rs µ µ je uporovna permeabilnost, ki vsebuje izgube. Kompleksna permeabilnost feritnega jedra

14 Impulzna permeabilnost µ p µ p 1 = µ 0 B H Histerezna zanka pri impulznem magnetenju

15 Magnetne izgube Pri magnetenju jeder v šibkih poljih opazujemo izgube s pomočjo upornosti. Razliko med skupno upornostjo in enosmerno upornostjo imenujemo izmenična upornost jedra in je: Rv = v L f R = h h L f H R = n n L f Rj = Rc R R = R + R + R j v h n 2

16 Enačbo 5.63 lahko zdaj napišemo v naslednji obliki: 2 Rj = v L f + h L f H + n f L f R j L = v f + h H + n

17 Izgubni faktor in kvaliteta Izgubni faktor: tgδ j = R j ωl = 1 2π + + ( h H v f n) Z recipročno vrednostjo tgδ j dobimo podatek o kvaliteti (dobroti) magnetnega jedra: L Q = 1 ω = tg δ R j j Ker se začetna permeabilnost µ i spreminja tudi z zračno režo, dobimo s kvocientom: tg δ j = tgδ jr relativni izgubni faktor i konstanta materiala, ki je neodvisna od oblike µ

18 Odvisnost izgubnega faktorja od frekvence

19 Specifične izgube premagnetenja Pizg = Pv + Ph Primer: Specifične izgube Elvefer feritov tipa 5G

20 V energetskih napravah pogosto uporabljamo magnetne pločevine. Na osnovi izkušenj izračunavamo za pločevinasta železna jedra specifične magnetne izgube s pomočjo približnih enačb: - izgube zaradi vrtinčnih tokov: - histerezne izgube: 2 2 d f B W P $ 2 λ v 0, 26 ρ kg P h 0, 004 kjer pomenijo: d - debelina pločevine v cm, f - frekvenca v Hz, H c - koercitivna jakost magnetnega polja, $B λ ρ - temenska gostota magnetnega pretoka v T, - specifična prevodnost v S/m, - gostota v g/cm 3. f Hc B$ W ρ kg

21 Ukrepi za zmanjšanje izgub: Zmanjšati specifično električno prevodnost (povečati električno upornost). Pri kovinskih materialih dosežemo to z legiranjem (Fe npr. legiramo s Si) ali z uporabo nekovinskih, keramičnih magnetnih materialov; feriti imajo npr do krat večjo specifično upornost kot feromagnetne pločevine in imajo zanemarljive vrtinčne izgube; Uporabiti prahasto tehnologijo. Material zdrobimo v droben prah, ki ga nato med seboj vežemo z izolacijskim materialom. S tem učinkovito zmanjšamo vrtinčne tokove v prostoru in ne samo v dveh dimenzijah kot pri lameliranju; Lamele pločevine čim bolj stanjšati (tehnološke in ekonomske omejitve). V energetskih napravah so debeline pločevin običajno okrog 0,5 mm. Lamele med seboj izolirati; Uporabiti materiale s čim ožjo histerezno zanko; Vplivati na kristalno strukturo materiala.

22 Izgube v vrtilnem magnetnem polju V vrtilnem polju se histerezne izgube obnašajo drugače kot v izmeničnih poljih. Pri nižjih gostotah magnetnega pretoka so histerezne izgube v vrtilnem magnetnem polju P vh večje kot v izmeničnem, pri višjih gostotah pa manjše. Raziskave na magnetni pločevini Fe - Si s 3 % Si so pokazale, da je pri majhnih poljih razmerje P vh : P h 2 : 1, pri gostotah nasičenja pa okrog 0,6 : 1.

23 Magnetna anizotropija Najbolj pogosto nas zanimata anizotropija magnetenja (opazujemo µ) in izgubna anizotropija (opazujemo specifične izgube premagnetenja) v odvisnosti od smeri. Izgubna anizotropija A ( ) i % = P P p p + P P v v 100 ali A ( ) i % = P P max max + P P min min 100

24 Magnetno tehnično anizotropijo pa dobimo iz enačbe: ( ) µ µ µ + µ 100 v p A i % = v p ( ) A i % = µ µ max µ + µ max min min 100

25 Magnetilne krivulje zlitin Fe 12,5Ni 87 (permalloy) ohlajane od 600 C navzdol. a) magnetno polje je bilo v prednostni smeri, b) ohlajanje brez magnetnega polja. c) magnetno polje je bilo pravokotno na prednostno smer.

26 Spremenljivost magnetnih lastnosti Spremembe so lahko (1) reverzibilne ali (2) ireverzibilne Material Reverzibilni koeficient [%/K] feriti 0,2 (magnetni) Sm - Co magneti 0,05 (magnetni) Nd - Fe - B magneti 0,15 (magnetni) Cu 0,39 (električni) Magnetni in električni temperaturni koeficienti materialov Al 0,41 (električni)

27 Spremenljivost magnetnih lastnosti Pri ireverzibilnih spremembah pa ločimo: (1) popravljive (2) nepopravljive (3) stabilizacijske

28 Razdelitev magnetnih materialov Magnetno mehki Magnetno trdi

29

30 Magnetni materiali Kovinski Nekovinski Čiste kovine Zlitine Oksidi Neoksidi (Fe, Co, Ni, Gd) npr. FeNi, (npr. feriti, CrO 2 ) (npr. CrN, Fe 3 C) AlNiCo, Sm-Co

31 Postopki za izdelavo magnetnih materialov Metalurška tehnologija Taljenje in zlivanje Gnetenje Termična obdelava Izdelava prahastih magnetnih materialov Izdelava prahu Izoliranje Predpriprava za stiskanje Stiskanje Strjevanje

32 Izdelava sintranih trajnih magnetov Izdelava prahu Mešanje Posamezne komponente čistih kovin, ki so v obliki prahu, pomešamo med seboj v želenem razmerju. Stiskanje. Pritisk niha z ozirom na kakovost materiala med 500 MPa in 1000 MPa. Termična obdelava - sintranje

33 V začetnem stadiju sintranja v trdem stanju je logaritem skrčka premosorazmerenčasu in proces sintranja se tako izrazi z enačbo: kjer je: K L L 0 = K t n δ Ω0 D = K1 3 k T r L / L linearni skrček, δ površinska napetost, Ω 0 atomski volumen, D - difuzijska konstanta, k - Boltzmanova konstanta, T - temperatura, r - velikost zrn, n - 1/3-2/3 (odvisno od mehanizma sintranja). 0

34 Prerez materiala po končanem sintranju

35 Keramiška tehnologija Izhodiščne komponente so v splošnem nemagnetne. Kot osnovni materiali uporabljamo: Fe 2 O 3 (železov ferit), MnO (manganov oksid) ali MnCO 3 (manganov karbonat), ZnO (cinkov oksid), MgO (magnezijev oksid) ali NiO (nikljev oksid) v prahu. Izdelava teče v naslednjih korakih: Mešanje Peletiranje

36 Izdelava teče v naslednjih korakih: - Mešanje - Peletiranje - Termična predobdelava - Drobljenje in mletje - Oblikovanje in stiskanje - Sintranje

37 Vrsta ferita Frekvenca Permea bilnost Mn-Zn do 100 khz Mn-Zn khz Ni - Zn khz Uporaba Miniaturne dušilke, impulzni transformatorji Filtri, magnetofonske glave Odklonske dušilke pri TV, jedra za uglaševalna vezja Ni Zn khz 200 Antenske palice, VF dušilke Ni Zn 1-15 MHz 100 Antenske palice, lončasta jedra za nihajne kroge Ni - Zn 5-25 MHz 50 Lončasta jedra za nihajne kroge, VF dušilke, paličasta jedra Ni preko 25 MHz 15 VF dušilke Mg - Mn impulzi 50 Magnetni preklopniki, magnetni ojačevalniki Mg - Mn mikrovalovi - Vezja za fazni premik

38 IEC klasifikacija mehkomagnetnih materialov A - Železa B - Mehka jekla z majhno vsebino ogljika (nelegirana jekla) C - Silicijeva jekla C 1 Masivni material C 2 - Pločevina C 21 Izotropna jekla C 22 Anizotropna jekla C 23 Tanko Si - jeklo D - Ostala jekla E - Zlitine Ni - Fe D 1 - Masivni material D 2 Pločevina E Ni, E Ni E Ni E Ni, E 5 cca. 30 Ni Izotropne, anizotropne F - Zlitine Fe - Co G Zlitine H - Mehkomag. keramika F Co F 2 35 Co, F Co G 1 Zlitine Fe - Al G 2 Zlitine Al - Si -Fe H 1 Mehkomagnetni feriti Izotropne, anizotropne

39 Mehkomagnetni materiali v napravah močnostne elektrotehnike Železa in nelegirana jekla V laboratorijih je doseglo čisto železo z vsebnostjo 0,002 % C in 0,002 % O: µ maks. = , µ maks. = (brez kisika) Pri tehniško čistih železih se gibljejo Magnetne veličine med: µ maks. = 3000 do 50000, B s = 2,15 T, B r = 0,8 1 T, H cb, (statična) = 6 do 100 A/m, ρ = 0,1 do 0,13 x 10-6 Ωm.

40 Vpliv na rast zrn: P, Si Sprememba histereznih izgub v odvisnosti od srednjega premera zrna železa (B = 1,5 T, f = 50 Hz)

41 Primerjava histerezne zanke in zrnatosti»polgotove«pločevine pred žarjenjem (a) in po njem (b). Metalografski posnetek je 100 x povečava.

42 Silicijeva jekla Vpliv silicija na lastnosti železa lahko grobo označimo takole: vsak odstotek Si v Fe poveča specifično upornost za približno dvakrat, zmanjša pa gostoto magnetnega pretoka nasičenja za približno 0,05 T. Ker so transformatorji grajeni vedno tako, da je pločevina izrabljena le v smeri valjanja, veljajo le lastnosti, ki jih imajo ti materiali v tej smeri: P 15/50 1 W/kg, µ in µ maks 35000, H cb 10 A/m in B s 2,03 T, magnetilna krivulja je skoraj stopničasta, saj doseže npr pri H = 1000 A/m že B 1,9 T.

43 Relativna permeabilnost ELMAGT50 (M660-50D) EV15T50 (M450-50E) Relativna permeabilnost EV18T50 (M340-50E) ACRONI_T50 (660-50PP) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Magnetna indukcija B (T) Polgotova neorientirana magnetna pločevina

44 Krivulja izgub pri m agnetenju 6,0 ELMAGT50 (M660-50D) Magnetna izgube (W/kg) 5,0 4,0 3,0 2,0 EV15T50 (M450-50E) EV18T50 (M340-50E) ACRONI_T50 (660-50PP) 1,0 0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Magnetna indukcija B (T) Polgotova neorientirana magnetna pločevina

45 Relativna permeabilnost Neorientirana končno žarjena elektropločevina Relativna permeabilnost M700-50A M530-50A M400-50A M330-50A ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Magnetna indukcija B (T)

46 7,0 M700-50A Neorientirana končno žarjena elektropločevina Krivulja izgub pri m agnetenju 6,0 M530-50A Magnetna izgube (W/kg) 5,0 4,0 3,0 2,0 M400-50A M330-50A 1,0 0,0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 Magnetna indukcija B (T)

47 Vpliv mehanske obdelave Mehanske lastnosti: - robni efekt

48 Zlitine FeNi Zlitine FeNi (72-83%) imajo najvišje začetne permeabilnosti µ i in najmanjše H c. Primer: mumetall (Ni75Fe18Cu5Cr2) z µ 4 = 50000, H c = 1,2 A/m, µ maks = in B s = 0,78 T. Največjo začetno permeabilnost µ 4 = ima zlitina supermalloy. Zlitine FeNi (54-68%) imajo kompromisne lastnosti. Zlitinam FeNi (45-50%) se zelo spreminjajo lastnosti pod vplivom hladnega preoblikovanja in termičnih postopkov. Zlitine FeNi (35-40%) so znane predvsem po relativno majhnih začetnih permeabilnosti in tudi po majhnih prirastkih permeabilnosti pri vzbujanju z zunanjim magnetnim poljem. Zlitine FeNi 30% imajo Curiejeve temperature T c zelo nizke, med 30 C in 120 C, njihova B-T karakteristika pa je linearna.