Wpływ temperatury pracy na właściwości magnetyczne dielektromagnetyków z proszków Ŝelaza

Transkrypt

1 mgr inŝ. Bartosz Jankowski dr hab. inŝ. Barbara Ślusarek, prof. nadzw. ITR mgr inŝ. Dariusz Kapelski Instytut Tele- i Radiotechniczny ul. Ratuszowa 11, Warszawa mgr inŝ. Marcin Karbowiak mgr inŝ. Marek Przybylski Wpływ temperatury pracy na właściwości magnetyczne dielektromagnetyków z proszków Ŝelaza Słowa kluczowe: dielektromagnetyki, metalurgia proszków, właściwości magnetyczne, temperatura pracy, przenikalność, stratność STRESZCZENIE Magnetycznie miękkie materiały kompozytowe, nazywane równieŝ dielektromagnetykami są coraz szerzej stosowane w urządzeniach elektrycznych róŝnego typu. Najliczniejszą grupę urządzeń stanowią maszyny elektryczne, w których materiały kompozytowe zastępują tradycyjne blachy elektrotechniczne. Ponadto dielektromagnetyki wykorzystywane są jako rdzenie elementów pasywnych takich jak; dławiki oraz filtry częstotliwościowe ograniczające szkodliwe harmoniczne prądów lub napięć. Podczas pracy urządzenia elektryczne mogą być poddawane działaniu wysokich temperatur. Temperatura pracy wpływa na właściwości magnetyczne dielektromagnetyków. W referacie przedstawiono i omówiono wpływ oddziaływania temperatury pracy na właściwości magnetyczne dielektromagnetyków wykonanych z dwóch rodzajów magnetycznie miękkich proszków Ŝelaza. W ramach przeprowadzonych badań wyznaczono m. in. maksymalna względna przenikalność magnetyczna oraz stratność wykonanych dielektromagetyków. 1. WPROWADZENIE Materiały magnetycznie miękkie w postaci proszków są coraz chętniej stosowane w przemyśle urządzeń elektrycznych. NajwaŜniejszą grupą urządzeń wykorzystującą materiały proszkowe są maszyny elektryczne. W wielu zastosowaniach z powodzeniem udaję się zastępować magnetowody wykonane z blach elektrotechnicznych obwodami wykonanymi z proszków [1, 2]. Materiały proszkowe mogą być takŝe wykorzystywane jako rdzenie elementów pasywnych do układów elektronicznych oraz energoelektronicznych. Mogą być one równieŝ stosowane w dławikach ograniczających pobór prądu lub filtrach stosowanych do ograniczania szkodliwych harmonicznych prądów i napięć. Podczas pracy urządzenia techniczne mogą być naraŝone na działanie wysokiej temperatury. W wielu przypadkach urządzenia z proszkowymi obwodami magnetycznymi pracują w temperaturach wyŝszych od temperatury otoczenia. Często teŝ wzrost temperatury pracy związany jest z nagrzewaniem się innych elementów maszyny, takich jak np. uzwojenia maszyny elektrycznej. Tempreratura pracy obwodu magnetycznego wpływa na jego parametry, związane jest to ze zmianą właściwości fizycznych jego elementów wraz ze zmianą temperatury otoczenia. Powoduje to zmianę parametrów eksploatacyjnych urządzenia. X Krajowa Konferencja Elektroniki 1

2 Niezawodność urządzeń technicznych staję się bardzo waŝnym zagadnieniem, w związku z tym projektanci urządzeń, które zawierają w swojej strukturze obwody magnetyczne powinni uwzględniać zmiany właściwości fizycznych materiałów juŝ na etapie projektowania. W poprzednio prowadzonych badaniach określono zmianę magnetycznych i mechanicznych właściwości dielektromagnetyków w zakresie od -40 C do 100 C [3, 4]. Wraz z rozszerzeniem się zakresu zastosowań dielektromagnetyków konieczne stało poznanie ich właściwości magnetycznych w temperaturach wyŝszych od 100 C. Określenie zmian właściowści dielektromagnetyków w zakresie od temperatury pokojowej do 190 C było celem badań. 2. TECHNOLOGIA WYKONANIA PRÓBEK I BADANIA Magnetycznie miękki proszek Ŝelaza jest materiałem wyjściowym do wytwarznia proszkowych magnetycznie miękkich elementów obwodu magnetycznego. Stosowane są dwie podstawowe technologie, metoda spiekania oraz metoda spajania proszku spoiwem dielektrycznym. Szczególnie ta druga metoda ze względu na swoje zalety znajduję coraz szersze zastosowanie. Zaletą metody spajania spoiwem jest ograniczenie strat pochodzących z prądów wirowych. Metoda ta pozwala teŝ na wytwarzanie elementów obwodu magnetycznego o skomplikowanych kształtach i duŝych dokładnościach wymiarowych. W przypadku produkcji jednostkowej moŝliwa jest obróbka mechaniczna. MoŜliwe jest takŝe kształtowanie właściwości fizycznych elementów poprzez kształtowanie właściwości fizycznych materiału proszkowego, a takŝe moŝliwość wytwarzania elementów hybrydowych, czyli elementów składających się z obszarów o róŝnych właściwościach fizycznych. W prowadzonych badaniach elementy magnetyczne wytwarzano metodą spajana proszków Ŝelaza spoiwem o charakterze dielektrycznym. Badania przeprowadzono na dwóch komercyjnych proszkach Ŝelaza. Pierwszym proszkiem Ŝelaza był AncorLam (Rys. 1) ze środkiem poślizgowym AncorLam Lubricant [5], produkowany przez firme Hoeganaes. Drugim proszkiem Ŝelaza był Somaloy 700 (Rys. 2) firmy Höganäs ze środkiem poślizgowym Kenolube [6]. Zarówno w przypadku pierwszego jak i drugiego proszku, ziarna Ŝelaza o duŝej czystości pokrywane są warstwą dielektryka. Naniesiona warstwa izolacyjna ogranicza straty pochodzące od prądów wirowych. Proces wytwarzania dielektromagnetyków polega wykonaniu wypraski, a więc uformowaniu oczekiwanego kształtu w procesie prasowania. Następnie wypraska jest wygrzewana w temperaturze utwardzania środka spajającego [7]. Rys. 1. Zdjęcie metalograficzne proszku magnetycznego AncorLam Rys. 2. Zdjęcie metalograficzne proszku magnetycznego typu Somaloy 700 2

3 W ramach prowadzonych prac wykonano próbki dielektromagnetyków do badania właściwości magnetycznych. Były to wypraski pierścieniowe o wymiarach Φ 55 mm x Φ 45 mm x 5 mm. W tabeli 1 przedstawiono parametry procesu technologicznego wykonania próbek dielektromagnetycznych przeznaczonych do badań. Parametry procesu wytwarzania próbek wybrano na podstawie doświadczeń z wcześniej prowadzonych prac [8]. Tabela 1. Technologia wykonania próbek, gęstośc oraz rezystywność wykonanych komponentów skład proszku AncorLam + 0,2 % Ancorlam Lubricant Somaloy ,4 % Kenolube ciśnienie temperatura czas rezystywność prasowania utwardzania utwardzania [MPa] [ C] [minuty] [µωm] Rezystywność jest istotnym parametrem dielektromagnetyków wpływa ona na wartość strat z prądów wirowych, w związku z tym wykonano póbki do pomiarów rezystywności, były to belki o wymiarach 76 mm x 12 mm x 6 mm. Rezystywność wykonanych dielektromagnetyków określono wg normy PN-90 C-82055/08 [9]. Próbki wykonano przy takich samych parametrach procesu technologicznego jak próbki do badania właściwości magnetycznych. Właściwości magnetyczne wyznaczono wg normy IEC [10] na próbkach pierścieniowych. W czasie pomiarów wyznaczone zostały krzywe normalne magnesowania przy częstotliości 50 Hz. Ponadto określono stratność dla dwóch wartości indukcji magnetycznej 0,5 T i 1 T przy częstotliowściach 50 Hz oraz 1 khz. KaŜda z badanych próbek została uwzojona w jednakowy sposób; uzwojenie pierwotne magnesujące 275 zwojów, natomiast uzwojenie wtórne pomiarowe 100 zwojów. Do wyznaczenia parametrów dielektromagnetyków wykorzystano urządzenie wielofunkcyjne typu AMH-20K-HS firmy Laboratorio Elettrofisico Walker LDJ Scientific. Przed umieszczeniem próbek w komorze klimatycznej dokonano pomiarów magnetycznych w temperaturze pokojowej. Następnie przygotowane i uzwojone próbki umieszczono w komorze klimatycznej firmy Vötsch typu VMT 08/64. Pomiarów właściwości magnetycznych dielektromagnetyków dokonywano w temperaturach 100 C, 130 C, 160 C oraz 190 C. Kolejnym etapem badań było określenie czy długotrwałe działanie wysokiej temperatury wpływa degradująco na właściwości izolacyjne warstwy dielektryka, naniesionej na powierzchnie ziaren. Pierwsze pomiary tego etapu wykonano kiedy temperatura w komorze klimatycznej osiągnęła wartość 190 C (0 h), następnie po upływie doby (24 h) oraz po dwóch dobach (48 h). 3. WYNIKI BADAŃ W ramach prowadzonych prac wyznaczono krzywe normalne magnesowania oraz krzywe przenikalności magnetycznej próbek wykonanych z obu materiałów. Na rysunku 3.a przedstawiono krzywe normalne magnesowania, natomiast na rysunku 3.b krzywe przenikalności magnetycznej względnej, wyznaczone w temperaturze pokojowej. Wartość maksymalna przenikalności magnetycznej względnej dla dielektromagnetyków wykonanych z proszku AncorLam wynosi 343, natomiast dla dieletromagnetków z proszku Somaloy X Krajowa Konferencja Elektroniki 3

4 ) (a Rys. 3. Charakterystyka magnesowania dielektromagnetyków w temperaturze pokojowej (a), przenikalność magnetyczna w zaleŝności od natęŝenia pola magnetycznego (b) Wartości wyznaczonych maksymalnych wartości przenikalności względnych w zaleŝności od temperatury otoczenia zestawiono w tabeli 2. Wzrost temperatury otoczenia prowadzi do niewielkiego wzrostu przenikalności maksymalnej. Dla dielektromagnetyków wykonanych z proszku AncorLam zaobserwowano wzrost przenikalności maksymalnej o ok. 1,75 % w temperaturze 100 C i 190 C. W temperaturach 130 C i 150 C przenikalność maksymalna wzrosła o ok. 2 %. W przypadku dielektromagnetyków wykonanych z proszku Somaloy 700 obserwujemy przyrost przenikalności maksymalnej w zakresie od 1,1 % w temperaturze 130 C do 2,2 % w temperaturze 160 C. Jak pokazują przedstawione wyniki nie obserwuje się spadku maksymalnej przenikalności wraz ze wzrostem temperatury. Zaobserowane zmiany mieszczą sie w granicach błędu pomiaru. Tabela 2. Wpływ wysokiej temperatury na przenikalność względna µ r przenikalność względna µ r Rodzaj temperatura otoczenia dielektromagnetyka pokojowa 100 C 130 C 160 C 190 C AncorLam Somaloy Bardzo waŝnym parametrem określającym przydatność materiału do pracy w urządzeniach elektrycznych są straty mocy. W przypadku elementów obwodu magnetycznego określa się stratność p wyraŝoną w watach na kilogram. W prowadzonych badaniach stratność została określona dla dwóch częstotliwości pracy 50 Hz i 1 khz. Zmiany stratności dielektromagnetyków wykonanych z proszku AncorLam przedstawiono na rysunku 4, a zmiany stratności dielektromagnetyków z proszku Somaloy 700 na rysunku 5. Wraz ze wzrostem temperatury pracy, straty mocy w rdzeniu maleją, jest to szczególnie wyraźne dla indukcji o wartości 1,0 T i częstotliowści 1 khz; dla tak określonych warunków stratność w dielektromagnetykach wykonanych z proszku AncorLam zmniejszyła się o 9,6 % i o 16,4 % dla proszku Somaloy 700. ) (b 4

5 (a) Rys. 4. Stratność p dielektromagnetyka wykonanego z proszku typu AncorLam w zaleŝności od temperatury otoczenia dla częstoltiowści 50 Hz (a) oraz 1000 Hz (b) (b) (a) Rys. 5. Stratność p dielektromagnetyka wykonanego z proszku typu Somaloy 700 w zaleŝności od temperatury otoczenia dla częstoltiowści 50 Hz (a) oraz 1000 Hz (b) Kolejnym etapem prowadzonych badań było określenia wpływu długotrwałego działania podwyŝszonej temperatury na parametry magnetyczne dielektromagnetyków. Pierwszy pomiar wykonano kiedy badane próbki osiągnęły załoŝoną temperature (190 C). Następnie po upływie 24 i 48 godzin. Określono maksymalną przenikalność magnetyczną dielektromagnetyków wykonanych z proszku AncorLam oraz Somaloy 700 po próbach starzeniowych w temperaturze 190 C. Wartości maksymalnej przenikalności magnetycznej względnej przedstawiono w tabeli 3. (b) X Krajowa Konferencja Elektroniki 5

6 Tabela 3. Wpływ wysokiej temperatury na przenikalność względną µ r po 24 i 48 godzinach Rodzaj dielektromagnetyka temperatura pokojowa przenikalność względna µ r Temperatura 190 C Czas działania temperatury 0 h 24 h 48 h AncorLam Somaloy Jak pokazują wyniki pomiarów zmiany przenikalności są niewielkie. Po 48 godzinach ciągłego wygrzewania przenikalność dielektromagnetyku wykonanego z proszku AncorLam zmniejszyła się o 0,6 % i o 1,3 % dielektromagnetyku wykonanego z proszku Somaloyu 700 w stosunku do wartości otrzymanej w temperaturze pokojowej. Zmiany te mieszczą się w granicach błędu przyjętej metody pomiarowej. 4. PODSUMOWANIE Wyniki przeprowadzonych prac wskazują, Ŝe dielektromagnetyki wykonane z proszków Ŝelaza mogą być stosowane w urządzeniach pracujących w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 190 C. Właściwości magnetyczne takie jak maksymalna przenikalnośc maganetyczna nie uległa pogorszeniu w tym zakresie temperatur, takŝe po starzeniu w temperaturze 190 C. Natomiast stratność dielektromagnetyków wykonanych zarówno z proszku AncroLam oraz proszku Somaloy 700 zmniejszyła się. W przypadku proszku AnrocLam dla indukcji 1,0 T i częstotliwości 1 khz o 9,6 %, a dla proszku Somaloy 700 zmniejszyła się o 16,4 %. BIBLIOGRAFIA [1] Cros J., Viarouge P., Chalifour Y., Figueroa J., A new structure of universal motor using soft magnetic composites, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume 40, Issue 2, pages , March-April 2004 [2] Viarouge P., Cros J., Dubois M.R., Experience with ATOMET Soft Magnetic Composites Properties, Pressing Conditions and Applications, UK Magnetics Society Seminar, November 2004, Newcastle, UK [3] Ślusarek B., Gawryś P., Przybylski M., The influence of temperature on mechanical properties of dielektromagnetics, ISEF 2007 XIII International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronic, Electrical and Electric Engineering, September 2007, Prague, Czech Republic [4] Ślusarek B., Przybylski M., The influence of temperature on magnetic properties of soft magnetic composities, XII Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechniki i Mechatroniki PPEEm, Archiwum Konferencji PTETiS, Volume 27, strony , 2007 [5] Hoeganaes Brochure, Hoeganaes. Insulated Powder Composites, 2010 [6] Somaloy Brochure, Somaloy Technology. Compact, light and cost-efficient solution, 2010 [7] Ślusarek B., Powder magnetic materials, Przegląd elektrotechniczny, R. 86, NR 4/2010, strony [8] Ślusarek B., Przybylski M., Methods of tailoring magnetic properties of magnetic composites, The Seventeenth Annual International Conference on COMPOSITES/NANO ENGINEERING, ICCE July 1 August 2009, Honolulu, Hawaii, USA [9] IEC Materiały magnetyczne - Część 6: Metody pomiaru własności magnetycznych materiałów magnetycznie miękkich metalicznych i proszkowych przy częstotliwościach w zakresie od 20 Hz do 200 khz z uŝyciem próbek pierścieniowych, 2003 [10] PN-90 C-82055/08 Oznaczenie oporności elektrycznej właściwej (rezystywności) na próbkach,

7 Influence of temperature on magnetic properties of dielectromagnetics made of iron powder Key words: dielectromagnetic, powder metallurgy, magnetic properties, temperature of work, permeability, core losses ABSTRACT Soft magnetic composite materials, also called dielectromagnetics, are widely applied in various electrical devices. The largest group of devices represented are electrical machines in which composite materials replace conventional electrical steel sheet. Furthermore, dielectromagnetics are used as cores of passive elements: choke coils and frequency filters which reduce adverse harmonics of currents or voltages. Electrical devices may by subjected to high temperature during work. The paper presents and discusses the influence of high temperature on the magnetic properties of dielectromagnetics made from two types of soft magnetic powder. The study determined following parameters; maximum relative permeability, core losses of used materials. Fig. 1. Metallographic picture of AncorLam powder Fig. 2. Metallographic picture of Somaloy 700 powder Table 1. Technology of prepare samples, density and resistivity of components Fig. 3. Amplitude magnetization curve at room temperature (a), permeability as a function of magnetic field strenght (b) Table 2. Influence of high temperature on relative permeability µ r Fig. 4. Losses in soft magnetic core made from AncorLam as a function of temperature for f = 50 Hz (a) and f = 1000 Hz (b) Fig. 5. Losses in soft magnetic core made from Somaloy 700 as a function of temperature for f = 50 Hz (a) and f = 1000 Hz (b) Table 3. Influence of high temperature on relative permeability µ r after 24 and 48 hours X Krajowa Konferencja Elektroniki 7