ZASTOSOWANIE DOMIESZKOWANYCH DIELEKTROMAGNESÓW NdFeB W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr Barbara ŚLUSAREK*, Andrzej KORDECKI** magnes trwały, dielektromagnes, remanencja, koercja, rezystywność, silnik prądu stałego, proszek NdFeB ZASTOSOWANIE DOMIESZKOWANYCH DIELEKTROMAGNESÓW NdFeB W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO Ze względu na konieczność miniaturyzacji sprzętu, konstruktorzy maszyn elektrycznych poszukują nowych materiałów magnetycznie twardych o właściwościach magnetycznych korzystniejszych niż właściwości magnesów ferrytowych lub Alnico i o niezbyt wysokiej cenie. Jak wykazują wyniki badań, wymagania te w dużym stopniu mogą zaspokoić dielektromagnesy z szybkochłodzonej taśmy NdFeB. Technologia tego typu magnesów trwałych pozwala na sterowanie ich właściwościami i dostosowanie ich do wymagań stawianych magnesom trwałym przez konstruktorów danej maszyny elektrycznej. Proces domieszkowania jest jedną z metod, która powinna pozwolić na dostosowanie parametrów dielektromagnesów do cech maszyny elektrycznej. Wadą magnesów, w tym dielektromagnesów NdFeB, jest ich słaba wytrzymałość mechaniczna, która utrudnia ich stosowanie. Jak wykazały badania wstępne, proces domieszkowania proszkami metali i ich stopów poprawia niektóre właściwości mechaniczne dielektromagnesów. Proces domieszkowania powoduje nie tylko zmianę właściwości mechanicznych, ale także zmianę, z reguły pogorszenie właściwości magnetycznych oraz zmianę właściwości elektrycznych dielektromagnesów. Może spowodować też zmianę odporności dielektromagnesów na działanie czynników środowiskowych, takich jak: temperatura, wilgotność, udary, wibracje. W referacie przedstawiono wpływ domieszkowania dielektromagnesów na ich właściwości magnetyczne i elektryczne. Obecnie prowadzone są badania silników prądu stałego o magnesach trwałych, którymi są domieszkowane dielektromagnesy NdFeB. 1. WPROWADZENIE Wraz z rozwojem materiałów magnetycznie twardych, wzrostem ich właściwości magnetycznych oraz zróżnicowaniem ich właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych rozszerza się obszar zastosowań magnesów trwałych. Magnesy trwałe stosowane są w silnikach elektrycznych, prądnicach, w urządzeniach powszechnego użytku, sprzęcie komputerowym, w medycynie. Stosowane są więc one zarówno w domu, w * Instytut Tele- i Radiotechniczny, ul. Ratuszowa 11, Warszawa. ** Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław.

2 samochodzie, pociągu, jak i w rakiecie kosmicznej. Wszystkie te urządzenia, a więc i magnesy trwałe, pracują w różnych warunkach środowiskowych, takich jak: temperatura, wilgotność, udary, wibracje. Magnesy trwałe muszą więc spełniać wymagania dotyczące zarówno właściwości fizycznych takich jak właściwości magnetyczne, mechaniczne, termiczne i elektryczne, jak i wymaganie odporności na działanie czynników środowiskowych. Istotną sprawą, która wpływa w dużym stopniu na zastosowanie magnesów trwałych jest ich cena. Wszystkie te właściwości warunkują zastosowanie magnesów trwałych. Wbrew pozorom, nie muszą to być magnesy trwałe o maksymalnych wartościach wszystkich parametrów, ale o wartościach optymalnych dla konkretnych rodzajów maszyn. Za zasadę można przyjąć, że tylko wartości koercji należy nadawać wartości maksymalne, zmniejsza się bowiem wtedy długość magnesu, a ponadto unika się potrzeby zaopatrywania magnesu w nabiegunnik chroniący, zapobiegający odmagnesowaniu końców bieguna przez silne pole oddziaływania twornika. Inaczej sprawa przedstawia się z doborem wartości remanencji B r. Wpływ remanencji na struktury magnetowodów maszyny trzeba uzależnić od indukcji B δ szczeliny przytwornikowej. Indukcja B δ jest bowiem dla danej struktury konstrukcyjnej maszyny zasadniczym parametrem, współdecydującym o jej stratach mocy, sprawności, nagrzaniu, komutacji, szczegółach konstrukcyjnych i innych parametrach i zjawiskach. Z tego względu znamionowa wartość B δ jest jednoznacznie określona przez typ i rozmiary maszyny. Jeśli wartość remanencji B r po uwzględnieniu strumienia rozproszenia jest zbliżona do wartości B δ, unika się stosowania dodatkowych elementów korygujących indukcję B r. Dla wartości B r większych od wartości indukcji w szczelinie B δ konieczne jest stosowanie nabiegunników dekoncentrujących, natomiast dla indukcji B r mniejszych od wartości indukcji w szczelinie konieczne jest stosowanie nabiegunników koncentrujących. Dobór optymalnej dla danej maszyny elektrycznej wartości remanencji i koercji magnesu pozwoli zarówno na miniaturyzację magnesu trwałego, jak i całej maszyny elektrycznej dzięki uniknięciu stosowania nabiegunników koncentrujących i dekoncentrujących. Optymalna wartość wytrzymałości mechanicznej magnesów trwałych zależy od rodzaju konstrukcji silnika, między innymi od tego, czy magnesy są wmontowane w wirnik czy stojan, od sposobu ich mocowania do zespołu, od sposobu magnesowania: przed czy po montażu silnika itp. Wszystkie te czynniki wpływają na rodzaje naprężeń mechanicznych występujących w magnesie. W związku z tym dla jednej maszyny najbardziej istotnym parametrem jest wytrzymałość na ściskanie czy rozciąganie, w innym przypadku na zginanie, a w jeszcze innym twardość. Wymagania stawiane magnesom trwałym przeznaczonym do maszyn elektrycznych w dużym stopniu mogą zaspokoić dielektromagnesy z proszku z szybkochłodzonej taśmy NdFeB. Zaletą dielektromagnesów jest bowiem możliwość sterowania ich właściwościami fizycznymi. Umożliwia to dostosowanie właściwości dielektromagnesów do pożądanych zasadniczych cech maszyny elektrycznej. Możliwe jest także wytwarzanie magnesów o skomplikowanych kształtach i dokładnych wymiarach. Właściwości magnetyczne dielektromagnesów NdFeB ustępują wprawdzie właściwościom magnetycznym magnesów spiekanych wykonanych z tych samych stopów, ale są od nich tańsze. 193

3 194 Jedną z metod, która umożliwia sterowanie właściwościami fizycznymi dielektromagnesów jest proces domieszkowania magnetycznie twardego proszku NdFeB proszkami innych metali i ich stopów. Właściwości mechaniczne dielektromagnesów zależą głównie od ich składu, czyli rodzaju i ilości proszku magnetycznie twardego, rodzaju i ilości tworzywa wiążącego oraz technologii dielektromagnesów [1, 2]. Badania nad wtryskiwanymi dielektromagnesami NdFeB pokazały, że istotnym parametrem, który wpływa na wytrzymałość na ściskanie i zginanie dielektromagnesów wtryskiwanych jest temperatura wtrysku [3]. W przypadku dielektromagnesów prasowanych jednym z czynników, który w dużym stopniu wpływa na właściwości mechaniczne dielektromagnesów jest zawartość żywicy [1, 2, 4]. Jednak wzrost zawartości żywicy epoksydowej, który powoduje wzrost wytrzymałości dielektromagnesów, przyczynia się też do istotnego spadku właściwości magnetycznych dielektromagnesów. Wstępne badania nad otrzymywaniem dielektromagnesów NdFeB o właściwościach mechanicznych pokazały, że metodą, która pozwala na zmianę właściwości mechanicznych gotowych dielektromagnesów, bez wyraźnego pogorszenia właściwości magnetycznych, jest domieszkowanie dielektromagnesów proszkiem żelaza i proszkami innych metali [2, 4]. Dielektromagnesy NdFeB są materiałem kompozytowym, w którym proszek metalu jest spajany tworzywem, np. żywicą epoksydową, poliamidem, gumą. W przypadku tego typu materiału kompozytowego nie mogą być zastosowane typowe metody polepszania właściwości mechanicznych kompozytów spiekanych czy też polimerowych. Istotne ograniczenie stanowi temperatura procesu wpływająca na właściwości mechaniczne, bowiem w temperaturze około 600 C następuje rozrost ziaren stopu NdFeB, co powoduje pogorszenie właściwości magnetycznych. Ograniczona jest też ilość tworzywa wiążącego wzrost zawartości tworzywa powoduje jednocześnie wyraźne zmiany właściwości magnetycznych. Generalnym celem domieszkowania dielektromagnesów jest uzyskanie magnesów trwałych o właściwościach fizycznych dostosowanych do zasadniczych cech maszyn, w których będą pracować. Wypływa stąd konieczność poznania wpływu rodzaju i ilości stosowanych domieszek na właściwości fizyczne i odporność na czynniki środowiskowe dielektromagnesów domieszkowanych. Pozwoli to bowiem na dobór i wykonanie dielektromagnesów o wartościach parametrów optymalnych dla konkretnych rodzajów maszyn. 2. WPŁYW DOMIESZKOWANIA NA WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE DIELEKTROMAGNESÓW NdFeB W prowadzonych przez autorów badaniach nad kształtowaniem właściwości fizycznych dielektromagnesów NdFeB jako proszku magnetycznie twardego używano proszku z szybkochłodzonej taśmy NdFeB, produkowanej przez firmę Magnequench, typu MQP-A [5]. Jako materiału spajającego używano żywicy epoksydowej Epidian 100. Jest to żywica produkowana przez Zakłady Chemiczne Organika-Sarzyna [6]. Dielektromagnesy domieszkowane były proszkami materiałów magnetycznie miękkich: proszkiem żelaza typu SCM , proszkami stopów żelaza z niklem typu PC i PH, proszkiem niklu oraz proszkami materiałów niemagnetycznych: stali 316L oraz proszkami aluminium i brązu [7].

4 Dielektromagnesy przeznaczone do prób wykonane były metodą prasowania. Przygotowano mieszanki proszków, w których proszki domieszkujące stanowiły 5% wag. Wszystkie próbki wykonano stosując te same parametry procesu prasowania i utwardzania. Dla nadania wykonanym próbkom właściwości magnetycznych magnesowano je w magneśnicy impulsowej. Wykonano pomiary właściwości magnetycznych dielektromagnesów. Badania przeprowadzono na urządzeniu do badania magnesów trwałych za pomocą dwóch hallotronów wykonanym przez Politechnikę Wrocławską. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości magnetyczne dielektromagnesów domieszkowanych Proszek B r JH C BH C (BH) MAX NdFeB Domieszki [T] [ka/m] [ka/m] [kj/m 3 ] µ MQP-A 0, ,34 1,16 MQP-A SCM 0, ,05 1,29 MQP-A PC 0, ,88 1,27 MQP-A PH 0, ,82 1,27 MQP-A Ni 0, ,93 1,22 MQP-A brąz 0, ,30 1,16 MQP-A Al 0, ,85 1,14 MQP-A 316L 0, ,1 1,16 Przedstawione wyniki pomiarów właściwości magnetycznych dielektromagnesów wskazują, że domieszkowanie dielektromagnesów niemagnetycznymi proszkami metali i stopów metali powoduje nieznaczne zmniejszenie remanencji i koercji B H c, natomiast wartości koercji J H C dielektromagnesów pozostają na tym samym poziomie. W przypadku proszków materiałów magnetycznie miękkich obserwowane jest zmniejszenie koercji przy nieznacznym obniżeniu wartości remanencji. Z przedstawionych w tabeli 1 wyników pomiarów właściwości magnetycznych uwagę zwraca dielektromagnes domieszkowany niemagnetycznym proszkiem żelaza typu 316 L. Wartość remanencji takich dielektromagnesów zmniejszyła się o około 5%, przy tym samym poziomie koercji, natomiast maksymalna gęstość energii magnetycznej zmniejszyła się o około 7%. Proszek typu 316 L jest proszkiem uszlachetnionej stali nierdzewnej, domieszkowanej chromem, niklem i molibdenem. Otrzymywany jest metodą rozpylania. Średnia wielkość ziarna tego proszku mieści się w zakresie µm. Zaletą tego proszku jest też niska cena, co obniża koszt dielektromagnesu. 3. WPŁYW DOMIESZKOWANIA NA WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE DIELEKTROMAGNESÓW NdFeB 195 Proces domieszkowania dielektromagnesów NdFeB proszkami metalicznymi zmienia właściwości magnetyczne gotowych dielektromagnesów domieszkowanych, ale zmienia także ich właściwości elektryczne. W celu określenia tego wpływu wykonano pomiary rezystywności próbek dielektromagnesów domieszkowanych. Pomiary zostały przeprowadzone na próbkach dielektromagnesów wykonanych przy takich samych

5 196 parametrach procesu technologicznego jak próbki przeznaczone do badań właściwości magnetycznych. Do badań użyto próbek prostopadłościennych o wymiarach 3,0 12, 2 30,2 mm w stanie nienamagnesowanym. Pomiar rezystancji próbek wykonano metodą techniczną przy zasilaniu prądem stałym z dokładnym pomiarem napięcia i pomiarem rezystancji próbek wzdłuż najdłuższego wymiaru prostopadłego do kierunku prasowania. Na podstawie pomiarów rezystancji próbek obliczono ich rezystywność. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Właściwości elektryczne dielektromagnesów domieszkowanych Proszek Rezystywność NdFeB Domieszki [mωm] MQP A 0,219 MQP-A SCM 0,212 MQP-A PC 0,170 MQP-A PH 0,249 MQP-A Ni 0,174 MQP-A brąz 0,173 MQP-A Al 0,156 MQP-A 316L 0,202 Jak widać z danych przedstawionych w tabeli 2, proces domieszkowania zmienia rezystywność dielektromagnesów domieszkowanych, ale w dalszym ciągu są to magnesy o właściwościach rezystywnych. Wynika to z obecności żywicy epoksydowej, która izoluje ziarna proszku. 4. BADANIA SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH Magnesy trwałe jako źródło wzbudzenia znalazły w Polsce największe zastosowanie w produkowanych masowo silnikach prądu stałego. W związku z tym do badania wpływu właściwości dielektromagnesów domieszkowanych na parametry silników elektrycznych wytypowano silniki prądu stałego PRMO-30-15A produkowane przez fabrykę MIKROMA S.A. W chwili obecnej prowadzone są badania tego typu silników z dielektromagnesami domieszkowanymi, których właściwości magnetyczne i elektryczne przedstawiono w tabelach. 5. PODSUMOWANIE Badania nad domieszkowanymi dielektromagnesami z proszku z szybkochłodzonej taśmy NdFeB pokazują, że możliwe jest wytwarzanie tego typu dielektromagnesów o zadowalających do wielu zastosowań właściwościach magnetycznych i elektrycznych. Domieszkowanie dielektromagnesów NdFeB proszkami innych metali ułatwia proces prasowania. Sprawą istotną jest też możliwość obniżenia ceny tego typu magnesów

6 trwałych, bowiem część proszku NdFeB zostanie zastąpiona proszkiem innych metali, które są znacznie tańsze od proszku NdFeB. Przedstawione badania są częścią kompleksowych badań nad domieszkowanymi dielektromagnesami NdFeB. Badania te pozwolą określić zależność między składem dielektromagnesów a ich właściwościami magnetycznymi, mechanicznymi, elektrycznymi oraz ich odpornością na działanie czynników środowiskowych. Dzięki tym badaniom możliwe będzie wytwarzanie dielektromagnesów o właściwościach optymalnych dla konkretnej maszyny elektrycznej. 197 LITERATURA [1] ŚLUSAREK B., Dielektromagnesy dla maszyn elektrycznych małej mocy, Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, [2] ŚLUSAREK B., KORDECKI A., Dielektromagnesy o polepszonych właściwościach mechanicznych, Międzynarodowe XI Sympozjum Mikromaszyny i Serwonapędy, Rydzyna, 1998, s [3] ŚLUSAREK B., BIAŁO D., GROMEK J., KULESZA T., Effects of injection conditions on the mechanical properties of NdFeB dielectromagnets, Journal of Magnetics, vol. 4, no. 2, June 1999, s. 52 [4] 54. ŚLUSAREK B., GROMEK J., KORDECKI A., NOWAKOWSKI A., NdFeB dielectromagnets with improved mechanical properties, Advances in Powder Metallutgy & Particulate Materials 1999, vol. 3. [5] Katalog firmy Magnequench. [6] Katalog firmy Organika-Sarzyna. [7] Katalog firmy Höganäs. APPLYING OF DIELECTROMAGNETS NdFeB WITH METALLIC ADDITIONS IN DC MOTORS The development and miniaturisation of electromachines are the reason why the constructors require new permanent magnets with better magnetic characteristics than ferrite magnets and in reasonable prices. Magnets, which can fulfil most requirements are the NdFeB dielectromagnets (bonded magnets); their weakness are the mechanical properties. One of the method to improve the mechanical properties of dielectromagnets is metallic additions to the hard magnetic powders. The improving of mechanical properties of dielectromagnets changes, usually impair, its magnetic and may changes its electrical properties. Papers present influence of different additions on the magnetic and electrical properties of dielectromagnets. As filling materials the powders of irons, permalloy, nickel, aluminium and bronze were used. To find the influence of dielectromagnets on the characteristics of the electrical motors, the dc motors models with different dielectromagnets have been prepared and will be investigated.