UNITATEA DE NVARE 13

MATERIALE MAGNETICE (IV)

OBIECTIVE

Dup parcurgerea acestei uniti de nvre vei fi capabil s:- tii de cine sunt determinate pierderile suplimentare;- tii de ce apare fenomenul de rezonan magnetic

- explici ecuaia: fbafpFe +=

- tii care sunt etapele de parcurs pentru metoda experimental de determinare a pierderilor prin histerezis i a celor prin cureni turbionari din pierderile totale pfe, prin separarea componentelor.

- tii s defineti factorul de rectangularitate kr al ciclului de hysterezis - tii cum se clasific materialele magnetice n funcie de factorul de rectangularitate - tii unde se utilizeaz fierul- tii unde se utilizeaz oelul i fontele

DURATA DE STUDIU: dou ore

CONINUTUL UNITII DE NVARE

5.5.3. Pierderi magnetice suplimentare

Pierderile suplimentare sunt determinate de: fenomenele de rezonan magnetic; fenomenele de relaxare datorate prezenei impuritilor i defectelor; fenomenele de viscozitate la limitele dintre grunii cristalini etc.

Un cmp magnetic alternativ extern de o anumit frecven poate provoca rezonana magnetic. Fenomenele de rezonan magnetic determin pierderi la frecvene nalte de magnetizare. Astfel, un material feromagnetic supus aciunii unui cmp magnetic continuu H0 prezint fenomenul de diamagnetism: electronii constitueni vor efectua micri de precesie, de diferite frecvene Larmor. Dac se aplic simultan i un cmp magnetic alternativ H1, perpendiular pe H0, a crui frecven coincide cu frecvena Larmor, acesta ntreine micarea de precesie pe seama unui consum suplimentar de energie, care se disip sub form de cldur. Fenomenul de rezonan magnetic poate aprea prin interaciune cu cmpul intern H0 , putnd fi determinat i de anizotropia magnetocristalin.

Frecvena Larmor are ordinul de mrime sute de MHz, astfel c pierderile active produse prin acest fenomen se iau n considerare doar n acest domeniu de frecvene.

5.5.4. Pierderi totale n materiale magneticePierderile specifice totale n materiale magnetice reprezint suma acestor categorii de pierderi:

lsupcthtot pppp ++= , (5.67)

Ponderea acestor componente este diferit, n funcie de natura materialului, grosimea tolelor, poziia punctului de funcionare pe curba de magnetizare, domeniul de frecvene i amplitudini ale cmpului magnetizant, temperatur etc.

n cazul magnetizrii n cmpuri armonice, la frecvene industriale, preponderente sunt pierderile prin histerezis i cele prin cureni turbionari. Dac se analizeaz relaiile (5.74) i (5.70) i se consider toate

mrimile constante, cu excepia frecvenei, rezult c pierderile specifice totale ntr-un material feromagnetic, numite i pierderi n fier, depind de frecven de forma:

2fbfapp Fetot +== , (5.68)

Prin scrierea relaiei (5.67) sub forma:

fbaf

pFe += , (5.69)

se obine o dependen de tip dreapt. Aceast relaie fundamenteaz metoda experimental de determinare a pierderilor prin histerezis

i a celor prin cureni turbionari din pierderile totale pFe, prin separarea componentelor. Etapele metodei sunt: se msoar pierderile la dou frecvene: f1 i f2 pentru aceeai valoare a induciei maxime Bm; se traseaz graficul pFe/f = f (f); din intersecia acestei curbe cu axa ordonatelor se obine factorul a din relaia (5.77) i, prin urmare, se

poate calcula mrimea pierderilor prin histerezis cu relaia:

faph = , (5.70) din mrimea pantei dreptei pierderilor fa de axa absciselor se determin factorul b din relaia (5.78), cu

care se calculeaz mrimea pierderilor prin cureni turbionari:

2fbpct = , (5.72)

De obicei majoritatea productorilor de materiale feromagnetice dau n cataloage graficele pFe=f(Bmax) la diferite frecvene. n figura 5.26 se prezint curbele pierderilor specifice de remagnetizare pentru o tabl electrotehnic de 0,35 mm grosime, obinute cu instalaia automat Brockhouse Messtechnik.

Alteori sunt date doar valorile pierderilor specifice la anumite valori ale induciei magnetice. Astfel, pentru tabla electrotehnic standardele prevd msurtori la f = 50 Hz i inducii magnetice de valori: 1 T; 1,5 T i 1,7 T. Pierderile specifice de remagnetizare se noteaz P10; P15; P17. La alte frecvene se va specifica i frecvena (ex. P10/40 reprezint pierderile specifice la inducia de 1T i frecvena de remagnetizare de 40 Hz).

Fig. 5.23. Variaia n funcie de inducie a pierderilor specifice totalela frecvenele de 30 Hz, 50 Hz i 60 Hz pentru tabl Fe-Si de 0,35 mm laminat la cald.

131

Fig. 5.24. Caracteristica magnetic dinamic la 50 Hz pentru tabl de 0,35 mm laminat la cald.

Caracteristica magnetic B=f(H) i permeabilitatea magnetic se modific cu frecvena cmpului magnetizant. n figurile 5.27 i 5.28 se prezint caracteristicile magnetice pentru acelai sort de tabl electrotehnic ca cele obinute n Fig. 5.26, msurate cu aceeai instalaie.

Fig. 5.25. Variaia permeabilitii magnetice cu cmpul magnetic i cu frecvena.

Se observ caracterul neliniar i fenomenul de saturaie magnetic. n cmp armonic se introduce mrimea permeabilitii complexe.

5.6. PROPRIETI I DOMENII DE UTILIZARE A MATERIALELOR MAGNETIC MOI

5.6.1. Performane i tendine de dezvoltare

Materialele magnetice moi sunt materialele utilizate pentru concentrarea i amplificarea cmpului magnetic. Aceste materiale se caracterizeaz prin cicluri nguste de histerezis magnetic (cmpuri coercitive mici), inducii de saturaie mari, valori ridicate ale permeabilitii magnetice i pierderi magnetice mici. n prezent se consider material magnetic moale materialul care are cmpul coercitiv sub 4 kA/m.

Utilizrile materialelor magnetice moi sunt direct legate de forma ciclului de histerezis. n acest sens se definete factorul de rectangularitate kr al ciclului de histerezis cu relaia:

132

srr B

Bk = , (5.73)

unde Br este inducia magnetic remanent iar Bs este inducia magnetic de saturaie.

n funcie de factorul de rectangularitate, exist: Materiale cu factor de rectangularitate mic (kr < 0,5), care au ciclul de histerezis nclinat.

Permeabilitatea magnetic este mic i constant n raport cu mrimea cmpului magnetizant. Aceste materiale sunt utilizate pentru miezuri n bobinele la care se cere inductivitate constant;

Materiale cu factor de rectangularitate mediu (kr = 0,5 - 0,8), care au ciclul de histerezis mai apropiat de axa vertical. Permeabilitatea magnetic este mare i dependent de mrimea H. Aceste materiale se utilizeaz la fabricarea miezurilor transformatoarelor, electromagneilor etc.

Materiale cu factor de rectangularitate mare (kr > 0,8), care au ciclul de histerezis dreptunghiular. Aceste materiale se utilizeaz la fabricarea miezurilor pentru memorii magnetice i circuite de comutaie.

Performanele materialelor magnetice moi au crescut odat cu dezvoltarea cunotinelor despre magnetism i evoluia tehnicii i tehnologiei.

Primele materiale magnetice moi s-au produs la scar industrial la sfritul secolului al XIX-lea. Au urmat perioade de elaborri de noi materiale i de perfecionri n urmtoarele direcii: Reducerea pierderilor magnetice specifice. Aceasta s-a fcut n funcie de perfecionarea proceselor

tehnologice de obinere i prelucrare. Evoluia a fost urmtoarea: tabla Fe-Si laminat la cald: pFe=5 1 W/kg (1900 1920), tabla Fe-Si cu cristale neorientate: pFe=1 0,8 W/kg (1920 1940), tabla Fe-Si tip Goss i tabla subire, pFe=0,8 0,2 W/kg (1940 1970), aliaje amorfe FeSiB, pFe sub 0,2 W/kg (1970 1990).

Reducerea cmpului magnetic coercitiv i creterea induciei magnetice de saturaie. Performanele obinute au crescut continuu, n ceea ce privete cmpul coercitiv i inducia de saturaie. Astfel, s-au obinut: la feritele moi: Hc=10-100 A/m; Bs=0,4 T; la aliajele 70-80%Ni-Fe: Hc=0,1-100 A/m; Bs=0,8 T; la aliajele 40-50%Ni-Fe: Hc=10-100 A/m; Bs=1,2 T; la aliajele Fe-Si: Hc=100-1000 A/m; Bs=1,7 T; la aliajele Fe-Co: Hc=100-1000 A/m; Bs=2,2 T;

Reducerea influenei temperaturii i frecvenei cmpului magnetizant. Sunt concepute noi materiale. Exemplu, Vitrovac-ul este un aliaj magnetic moale n care particule de -Fe sunt nglobate ntr-o faz amorf de FeCuNbB, obinndu-se constante de anizotropie magnetic i pierderi de remagnetizare mici, n domeniu larg de temperaturi.

S-au realizat materiale la care domeniul frecvenelor de utilizare a crescut considerabil. Astfel: Permalloy-ul (tole de 50 m) se folosete pn la 10 kHz; Vitrovac-ul 6025F (tole de 50 m) se folosete pn la 1 MHz; Ferita de MnZn se folosete pn la 10 MHz etc.

Clarificarea proceselor de magnetizare n vederea exploatrii optime. Cunotinele acumulate au permis diversificarea regimurilor de lucru pentru materialele magnetic moi. Astfel, exist:

Regimuri de funcionare n curent continuu, n care punctul de funcionare pe caracteristica B=f(H) nu se modific;

Regimuri de funcionare n curent sinusoidal, n care punctul de funcionare se deplaseaz, descriind pentru fiecare perioad a curentului electric o curb de histerezis;

Regimuri de funcionare n curent sinusoidal cu premagnetizare n curent continuu, n care punctul de funcionare se deplaseaz, descriind pentru fiecare perioad a curentului electric cte o curb de histerezis, deplasat fat de origine;

Regim de funcionare n impuls, n care procesele de magnetizare sunt specifice, n funcie de forma impulsului.De menionat c eficacitatea dispozitivelor electromagnetice depinde att de natura i dimensiunile

materialelor magnetice utilizate dar i de tipul regimului de magnetizare i de parametrii circuitului n care se

133

utilizeaz. n continuare vor fi prezentate unele performane ale materialelor magnetice moi des utilizate n ingineria electric i electronic.

5.6.2. Fierul ca material feromagnetic moaleDenumirea de fier moale (nu de oel) este utilizat pentru fierul cu coninut sczut de carbon, dei

uneori sub aceast denumire ntlnim i sorturile de oel.Fierul moale, livrat sub diferite forme i dimensiuni (bar, tabl, eav etc.), este ntlnit sub diferite

sorturi: Fierul chimic pur - care are caracteristici magnetice foarte bune. Fiind ns un material scump nu

prezint interes din punct de vedere practic; Fierul tehnic pur - se obine prin nclzirea fierului pn aproape de punctul de topire, n atmosfer

de hidrogen, eliminndu-se, prin difuzie, impuritile. Nu prezint interes pentru aplicaii industriale din cauza preului prea ridicat;

Fierul electrolitic - este constituit din particule alungite, de mare puritate. Se utilizeaz mai ales la fabricarea aliajelor Alni i Alnico;

Fierul carbonil - se obine sub form de pulbere fin din pentacarbonilul de fier Fe(CO)5 lichid. Particulele au form sferic, ceea ce prezint un avantaj la izolare, deoarece nu se produc strpungeri ale izolaiei. Se utilizeaz la obinerea prin presare a miezurilor magnetice pentru frecvene nalte, a magneilor sinterizai Alni i Alnico;

Fierul suedez, fierul Armco i fierul srac n carbon. Aceste sorturi de fier se deosebesc prin procentul de impuriti. Fierul suedez se obine din font extrapur i are coninut de carbon redus ( 0,03 % C). Fierul Armco se elaboreaz de preferin din fier suedez prin insuflare de hidrogen. Caracterisiticile magnetice se mbuntesc odat cu reducerea impuritilor. Fierul srac n carbon, denumit i fier moale, este mai puin pur dect fierul Armco.

5.6.3. Oeluri i fonte magnetice moi

Oelurile se utilizeaz la confecionarea circuitelor magnetice care necesit caracteristici mecanice superioare. Aceste materiale au inducii magnetice de saturaie mari (1,4 - 2 T), dar permeabilitatea magnetic redus (r max = 2000) i cmp coercitiv mare (2 kA/m).

Oelurile aliate cu crom-nichel, nichel-vanadiu, nichel-molibden i crom-scandiu sunt folosite acolo unde sunt solicitri mecanice deosebite.

ELEMENTE REZUMATIVE

- pierderile specifice totale n materiale magnetice reprezint suma pierderilor :

- relaia fbafpFe += fundamenteaz metoda experimental de determinare a pierderilor prin histerezis i a

celor prin cureni turbionari din pierderile totale pfe, prin separarea componentelor.- majoritatea productorilor de materiale feromagnetice dau n cataloage graficele pfe=f(bmax) la diferite frecvene. - materialele magnetice moi sunt materialele utilizate pentru concentrarea i amplificarea cmpului magnetic. aceste materiale se caracterizeaz prin cicluri nguste de histerezis magnetic (cmpuri coercitive mici), inducii de saturaie mari, valori ridicate ale permeabilitii magnetice i pierderi magnetice mici.

134