Transcript ppt
Magnetické vlastnosti práškových kompozitných materiálov Obsah Z histórie magnetických práškových materiálov Východiská výskumu Straty pri premagnetovaní v striedavých magnetických poliach Magnetizačné procesy kompozitných materiálov •Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach •Koercivita a straty kompozitných materiálov v striedavých magnetických poliach Záver Vznik pojmov magneticky mäkký a magneticky tvrdý špendlík magneticky mäkký ihla magneticky tvrdý Magneticky mäkké materiály koercivita Hc do 1 kA/m Magneticky tvrdé materiály koercivita Hc nad 1 kA/m Koercivita HC Straty P Permeabilita Koercivita HC Energetický súčin B.H Magneticky tvrdé materiály Magneticky mäkké materiály B H EI jadro transformátora B.dS Rez motorom alebo generátorom. Magneticky mäkké materiály Vírivé prúdy Z histórie magnetických práškových materiálov 20.- te roky 20. storočia použitie z práškov na báze karbonylového železa: •v oznamovacej technike na konštrukciu oddeľovacích transformátorov vďaka vysokej permeabilite •jadrá a tienenie cievok pre obvody prijímacej a vysielacej techniky •cievky na kompenzáciu kapacity dlhých vodičov – Pupinačné (Pupinizačné) cievky. Mihajlo Idvorski Pupin, PhD., LL.D. (4.10.185812.3.1935) Z histórie magnetických práškových materiálov 70.- te roky 20. storočia – ferity výhoda - veľký elektrický odpor použitie do vysokých frekvencií nevýhoda – existencia najmenej dvoch podmriežok – nízka hodnota BS Z histórie magnetických práškových materiálov prelom 20. a 21. storočia – renesancia vo výskume a vývoji práškových magnetických materiálov Stimuly rozvoja: nové technológie prípravy a výroby práškových materiálov impulzná výkonová elektrotechnika Východiská výskumu Nanokryštalicá magneticky mäkká zliatina FINEMET- Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9 Y. Yoshizawa, S. Oguma. And K. Yamauchi J. Appl. Phys. 64 (1988) 6044 Y. Yoshizawa and K. Yamauchi, Mater. Sci. Eng. A 133 (1991) 176 Model náhodnej anizotropie G. Herzer: IEEE Trans. Magn. 26 (1990) 1397 R. Alben, J. J. Becker and M. C. Chi, J. Appl. Phys., 49 (1978)16A. 53 L ex N D 3 A L ex K1 1 2 Východiská výskumu K K D HC pc pc Js J s A3 4 1 6 K1 HC pc Js HC pc A K1 Js D 1 2 Straty pri premagnetovaní v striedavých magnetických poliach P P C0 C1 f C2 f 1/ 2 f Straty v závislosti od frekvencie neorientovanej oceli FeSi Straty pri premagnetovaní v striedavých magnetických poliach P PH PV PA T w HdB H 0 Bmax - maximálna hodnota mag. indukcie K h x - sú parametre závislé na materiáli G V0 a magnetizačných podmienkach, dB dt dt exponent x býva v medziach 1,6–3,2. S - priečny rez vzorky d - hrúbka - merný elektrický odpor x PH K h Bmax f 2 KC Bmax d 2f 2 PV PA 8,8 G S V0 Bmax f 3/2 Kompozitné materiály zrnká prášku: •čisté prvky Fe, Co, Ni a ich zliatiny (s prímesami Ti, V, Cr, Ni, Cu, Nb....) •zliatiny typu FeSi •permalloy a deriváty •amorfné a nanokryštalické zliatiny spojivá: •plasty •živice •organické polyméry •oxidy kovov (ferity) technológia: •teplota •tlak •doba kompaktovania •spekanie a tepelné spracovanie Kompozitné materiály prstence vonkajší priemer – 25 mm vnútorný priemer – 15 mm výška – 3-4 mm Kvazistatické premagnetovnie Hystrerézna slučka materiálu Finemet získaná pri kvazistatickom premagnetovaní Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach Nárast Hmax má za dôsledok aj na dH nárast dt dB následne aj na dt v konečnom dôsledku vzrastie aj koercivita a straty Hystrerézna slučka materiálu Somaloy, (70 kHz, 0,5T) Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach snímacie vinutie magnetizačný toroid N1 r1 N2 r2 B dS h Magnetický indukčný tok v prstencovej vzorke Hopkinsov zákon Um 1l , Rm Rm S Ohmov zákon U 1l I ,R R S Hystrerézne slučky materiálu Somaloy (1 kHz) Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach Hystrerézne slučky materiálu Somaloy (1 kHz) Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach Somaloy, 1kHz, 0,9 T Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach Somaloy, 1 kHz, 1,2 T Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických poliach Somaloy, 70 kHz, 0,5 T Príprava vzoriek • SMC vzorky pripravené konvenčnou metalurgiou • tvar - prstenec (pre magnetické merania) a valec (pre meranie merného elektrického odporu) Príprava vzoriek Vzorka A 90 obj. % čisté práškovéželezo ASC 100.29, Höganäs AB Sweden (distribúcia veľkosti častíc: 50 hm. % častice majú priemer menší ako 75 m a 0.9 hm. % viac ako 80 m) 10 obj. % fenol-formaldehydová živica (Bakelit ATM). Častice podľa výrobcu mleté 3 x 30 s v nožovom mlyne vykazujú veľkosti pod 100 m) Lisované jednoosovým tlakom a spekané pri teplote 165ºC 60 min Príprava vzoriek Vzorka S referenčný materiál, prášok Somaloy® 700 (pokrytý izolačnou vrstvou) od fy Höganäs AB, Sweden pripravený technológiou vyvinutou výrobcom (kompaktácia pri 800 MPa a tepelné spracovanie pri 530 °C 30 min. na vzduchu). Príprava vzoriek Pohľad na lomovú plochu vzorky A ukazujúci časticu Fe pokrytú živiciu, pozorované pomocou SEM. Mikroštruktúra vzorky A pozorované pomocou optického mikroskopu v polarizovanom svetle. Experimentalne metódy Hysterézne slučky – maximálna indukcia 0.05 T, 0.1 T, 0.2 T 1. Hysterézigraf na báze fluxmetra 2. Hysterézigraf na báze fluxmetra pre meranie v striedavých poliach s frekvenciou 0.4 Hz-50 Hz 3. MATS-2010M, hysterézigraf pre meranie v striedavých poliach s frekvenciou 50 Hz-1 kHz 4. MATS-2010SA, hysterézigraf pre meranie v striedavých poliach s frekvenciou 1 kHz-150 kHz 5. Meranie špecifického elektrického odporu –metóda van der Pauwa 1 2 3 4 Straty Celkové straty Pt (v J/m3) Pt Ph Pe Pa Vynásobením faktorom f (f - frekvenia, – hustota) f Pe Pa veličina P’t, (jednotka W/kg) Pt Ph Ph – hysterézne straty Ph K h Bmx Kh – materiálová konštanta x - materiálová konštanta Bm – maximálna indukcia Straty Pe’ – straty vírivými prúdmi 2 d Bm f P e R d – efektívny rozmer R – špecifický odpor b - geometrický koeficient w – šírka, h – výška obdĺžnika 6 h w 1 0.633 tanh1.58 w h Pa’ – anomálne straty Pa 8.8 G SV0 Bmax f S - prierez G a V0 parametre závisia na materiáli a magnetizácii 3/2 Statické hysterézne slučky – hysterézne straty Hint – vnútorné magnetické pole H – vonkajšie magnetické pole N – demagnetizačný faktor M - magnetizácia H int H N M Hysterézne slučky v striedavých magnetických poliach Vrcholová relatívna permeabilita Vrcholová relatívna permeabilita p ako funkcia frekvencie f vzorky A, a S stanovená z hysteréznej slučky meranej pri maximálnej indukcii Bm = 0.05 T vo frekvenčnom rozsahu 1 kHz-150 kHz. Celkové straty Celkové straty P’t ako funkcia frekvencie f vzorky A, and S meranej pri maximálnej indukcii Bm = 0.05 T, 0.1 T a 0.2 T vo frekvenčnom rozsahu 0.4 Hz -150 kHz. Celkové straty Príspevok anomálnych strát Celkové straty P’t ako funkcia frekvencie f vzorky A, and S meranej pri maximálnej indukcii Bm = 0.05 T, 0.1 T a 0.2 T vo frekvenčnom rozsahu 0 Hz 50 Hz. Príspevok anomálnych strát Pa~f1/2. Experimentálne body sledujú lineárnu závislosť, príspevok anomálnych strát je zanedbateľný. Celkové straty Príspevok strát vírivými prúdmi vzorka A S podiel Fe (%) 90.0 98.7 vonkajší priemer (mm) 24.00 24.10 vnútorný priemer (mm) 17.87 17.71 výška (mm) 2.75 2.808 hmotnosť (g) 3.439 3.870 hustota (g/cm3) 5.22 6.57 tlak pri komnpaktovaní (MPa) 600 800 teplota pri kompaktovaní (°C) 165 530 porozita (%) 13.6 12.4 špecifický odpor kompozitu (·m) 505 4.579 špecifický odpor železa (·m) 0.098 0.098 hystererézne straty (J/m3) pri 0.05 T 107 67 hystererézne straty(J/m3) pri 0.1 T 31 17 hystererézne straty(J/m3) pri 0.2 T 7 4 Záver Vzorka A – kompozitný materiál na báze práškového železa (90 vol. %) a fenol-formaldehydovej živice (10 obj. %) použitej ako izolátor Vzorka S - referenčná vzorka Somaloy® 700 • hysterézne straty sú dominantné. • príspevok anomálnych strát je zanedbateľný • frekvenčná závislosť strát stúpa pomalšie pre vzorku A než pre vzorku S – menší príspevok strát vírivými prúdmi. - vzorka A vírivé prúdy vo vnútri častíc - vzorka S vírivé prúdy vo vnútri častíc a medzi časticami