Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Politechniki Wrocławskiej Nr 48 Studia i Materiały Nr 20 2000 Tomasz JANTA* elektrotechnika, metalurgia proszków, silniki asynchroniczne, kompozyty magnetyczne infiltrowane, magnetowody WPŁYW GRUBOŚCI WARSTWY INFILTROWANEJ WIRNIKA KOMPOZYTOWEGO NA WŁAŚCIWOŚCI RUCHOWE SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Magnetyczne kompozyty proszkowe magnetycznie miękkie znajdują coraz szersze zastosowanie w przetwornikach elektrycznych, w tym również w maszynach elektrycznych. Większe zainteresowanie praktyczne dotyczy dielektromagnetyków, jednak w niektórych typach magnetowodów uzasadnione, a nawet korzystne, może być zastosowanie magnetyków bezdielektrykowych w postaci spieków. Dotyczy to zwłaszcza obwodów magnetycznych wolno przemagnesowywanych. Również technologia wymusić może zastosowania takich, a nie innych rodzajów kompozytów. Przykładowo, obecnie magnetowody infiltrowane wykonywane są jedynie w formie spieków. W prezentowanym wykonaniu magnetowodu wirnika jednofazowego silnika asynchronicznego małej mocy wykorzystano spiek z magnetycznie miękkiego proszku żelaza infiltrowany miedzią. Wcześniejsze badania potwierdziły możliwość takiego rozwiązania, które wykazało istotną zaletę w postaci zwiększonego momentu rozruchowego. Wirnik wykonano jako dwuwarstwowy: nieporowata, magnetycznie miękka, warstwa wewnętrzna o kształcie walca oraz porowata infiltrowana miedzią warstwa zewnętrzna w postaci gładkiego cylindra. Przedstawiono wpływ grubości infiltrowanej warstwy zewnętrznej spiekanego wirnika kompozytowego na właściwości i charakterystyki ruchowe silnika oraz porównano je z właściwościami silników fabrycznych z wirnikami klatkowymi. 1. WPROWADZENIE Magnetyczne kompozyty proszkowe stanowią, szczególnie w ostatnich latach, przedmiot intensywnych badań zmierzających do zastosowania ich na magnetowody maszyn elektrycznych [1, 2, 4, 8]. Tematyką tą zainteresowanych jest kilka poważnych ośrodków światowych (USA, Kanada, Szwecja, Wielka Brytania, Polska), przy czym wydaje się, iż prace aplikacyjne w ośrodku angielskim są najbardziej zaawansowane. Dotyczą one * Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, e-mail: Tom@imne.pwr.wroc.pl, Fax: (0 71) 320 33 75.
zastosowania wcześniej zbadanych przez nasz ośrodek dielektromagnetyków proszkowych. Dielektromagnetyki charakteryzują się, w porównaniu do spieków magnetycznych bezdielektrykowych (dla uproszczenia nazywanych w dalszej części spiekami), mniejszymi stratnościami [6], szczególnie z prądów wirowych oraz prostszą technologią. Mniejsze stratności wynikają z faktu izolowania poszczególnych cząstek żelaza izolatorem, ograniczającym w znacznym stopniu wartości prądów wirowych. Zalety te stanowią, mimo gorszych takich parametrów, jak indukcja magnetyczna czy przenikalność, wystarczającą zaletę powodującą, że większość badaczy właśnie w dielektromagnetykach upatruje większe perspektywy aplikacji. Niezależnie od mniejszej stratności dielektromagnetyków, w niektórych magnetowodach uzasadnione może być zastosowanie spieków i wykorzystanie ich zalet. Dotyczy to zwłaszcza obwodów magnetycznych wolno przemagnesowywanych, czy też obwodów, w których szczególnie istotna jest ich wytrzymałość mechaniczna (np. wirniki silników szybkoobrotowych). Możliwości technologiczne mogą również determinować zastosowanie takiego, a nie innego rodzaju kompozytu proszkowego. Przykładowo magnetowody infiltrowane, będące przedmiotem niniejszego opracowania, wykonywane są obecnie jako spieki. Wynika to ze stosunkowo dobrze poznanej w ośrodku wrocławskim technologii, możliwej do zastosowania przy wykonaniu tego typu magnetowodu. 199 2. TECHNOLOGIA MAGNETOWODÓW INFILTROWANYCH 2.1. RODZAJE MAGNETOWODÓW INFILTROWANYCH Magnetowody infiltrowane wprowadzane do przetworników elektrycznych pełnić mają dwie oddzielne funkcje: funkcję magnetyczną i elektryczną. Stanowią więc one elementy hybrydowe [5]. Funkcję magnetyczną pełni porowaty szkielet wykonany z proszku żelaza magnetycznie miękkiego, izolowanego lub nieizolowanego, natomiast funkcję konduktywną wprowadzony w procesie infiltracji materiał konduktywny. Od porowatości magnetycznego szkieletu, co determinuje ilość wprowadzanego konduktywnego infiltratu, zależą właściwości wykonanego magnetowodu konduktywnego. Kompozyty infiltrowane [4, 7] wykonane mogą być drogą infiltracji: wewnętrznej, zewnętrznej. Infiltracja wewnętrzna polega na wprowadzeniu infiltratu na etapie wykonywania mieszanki proszkowej, miesza się w mieszalniku proszek żelaza, proszek infiltratu i dodatki wynikające z procesu technologicznego (dielektryk, środki poślizgowe itp.). Najkorzystniej jest, gdy w dalszym procesie utwardzania w przypadku dielektromagnetyków lub spiekania w przypadku spieków infiltrat przechodzi w fazę ciekłą, co prowadzić powinno do wytworzenia ciągłego szkieletu konduktywnego. Niewątpliwą zaletą tego typu infiltrowania jest łatwość jego przeprowadzenia, pominięcie w procesie wytwarzania wykonania samodzielnego porowatego szkieletu magnetycznie miękkiego, który przy dużej porowatości może mieć niewystarczającą wytrzymałość mechaniczną. Możliwe jest również
200 takie opracowanie technologii, które pozwoliłoby na pokrycie magnetycznie miękkich cząstek żelaza powłoką przewodzącą. Oczywiście jest to związane z doborem infiltratu o odpowiedniej twardości tak, aby w procesie mieszania proszków magnetycznego i infiltratu wytworzyć wspomnianą powłokę. Infiltracja wewnętrzna pozwala w końcu na wykonanie zarówno spieków, jak i dielektromagnetyków infiltrowanych o praktycznie dowolnym udziale składników. Infiltracja zewnętrzna polega na wprowadzeniu infiltratu do wcześniej wykonanego porowatego szkieletu magnetycznie miękkiego. Barierą w dowolnym doborze proporcji: materiał magnetyczny materiał konduktywny, jest możliwość wykonania szkieletu o dużej porowatości i zarazem wystarczającej wytrzymałości mechanicznej. Szkieletem może być zarówno dielektromagnetyk, jak i wypraska zielona (wypraska po procesie prasowania, przed kolejną obróbką), przechodząca w spiek przed lub w procesie infiltracji. Dobór rodzaju szkieletu uzależniony jest od wymagań końcowych oraz od temperatury topienia infiltratu, którym mogą być roztopione metale, ich stopy o dużej przewodności czy też niskotemperaturowa gęstwa konduktywna, zawierająca pył metalu przewodzącego [4, 7]. Infiltrację zewnętrzną przeprowadzać można pod ciśnieniem atmosferycznym, gdy napięcie powierzchniowe między materiałem magnetycznym szkieletu i przewodzącego infiltratu jest bliskie zeru (np., gdy infiltratem szkieletu wykonanego z proszku żelaza jest miedź), lub pod ciśnieniem zewnętrznym, gdy ten warunek nie jest spełniony. Temperatura topienia infiltratu nie może w żadnym z tych przypadków być zbyt niska i musi być wyższa od dopuszczalnej temperatury pracy magnetowodu, w którym infiltrat ma być zastosowany. 2.2. INFILTROWANY MAGNETOWÓD WIRNIKA SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO Przedstawione w niniejszym opracowaniu magnetowody wirnika asynchronicznego silnika małej mocy wykonane zostały jako spieki proszku żelaza nieizolowanego. Infiltrację prowadzono w drodze infiltracji zewnętrznej (dla uproszczenia, w dalszej części opracowania, nazwanej infiltracją). Wykonane magnetowody wirników są dwuwarstwowe. W celu ich wyprasowania wykonano specjalne wieloelementowe formy umożliwiające dwuetapowe wykonanie wypraski zielonej magnetowodu wirnika. Etap pierwszy to wykonanie warstwy wewnętrznej, którą stanowi, nieporowaty w założeniu, rdzeń (walec) prasowany pod ciśnieniem 800 MPa. Wyprasowany rdzeń umieszczano ponownie w innej formie i w etapie drugim doprasowywano na nim cylindryczną warstwę zewnętrzną. Ciśnienie prasowania cylindra zewnętrznego określono doświadczalnie tak, aby uzyskać możliwie największą jego porowatość bez wprowadzania środków porotwórczych. Zastosowane ciśnienie prasowania 250 MPa umożliwiło wykonanie cylindra zewnętrznego o porowatości 25%. Grubość podstawową cylindra zewnętrznego dobrano tak, aby była ona równa wysokości żłobków h magnetowodu fabrycznego. W celu zbadania wpływu grubości tej warstwy na właściwości ruchowe silnika zaplanowano wykonanie jej o grubości większej, wynoszącej 1,5h i grubości mniejszej, równej 0,5h. Wykonanie cylindra grubości 0,5h okazało się jednak, ze względów technologicznych, niemożliwe. Prasowany cylinder miał zbyt małą wytrzymałość mechaniczną i ulegał uszkodzeniu w trakcie wyciągania wypraski z formy. Nie wynikało to
ze zbyt niskiego ciśnienia prasowania, lecz ze zbyt małego przekroju poprzecznego cylindra, co przy dużej jego wysokości uniemożliwiało prawidłowe zagęszczenie wypraski na całej wysokości. Na rysunku 1 przedstawiono popękany w trakcie wyciągania z formy cylinder zewnętrzny grubości 0,5h. 201 Rys. 1. Popękany w trakcie wyciągania z formy cylinder zewnętrzny grubości 0,5h Fig. 1. Outer cylinder of 0.5 h thickness, damaged during removal from the die after compacting Do infiltracji wirników zastosowano miedź. Infiltrację prowadzono przy ciśnieniu atmosferycznym w specjalnie do tego celu wykonanych formach pokrytych od wewnątrz nieprzepuszczalną powłoką żaroodporną. Przeciętą wzdłużnie formę do infiltracji, po wyciągnięciu z niej infiltrowanego wirnika, przedstawiono na rys. 2. 1 Rys. 2. Przecięta wzdłużnie forma po infiltracji magnetowodu wirnika: 1 ścianki boczne formy, 2 spód formy Fig. 2. Die for infiltration of rotor s magnetic core cross section after infiltration: 1 side walls, 2 bottom of the die 2 W trakcie infiltracji spiekaniu podlegał nieporowaty rdzeń wirnika. Na rysunku 3 przedstawiono wykonany magnetowód wirnika o grubości warstwy infiltrowanej równej wysokości h żłobków fabrycznego klatkowego wirnika blachowego. Ilość infiltratu umieszczanego na wyprasce zielonej znajdującej się w formie wkładanej do komory pieca do spiekania i infiltrowania dobierano tak, aby zapewnić nie tylko wypełnienie wytworzonych porów, ale również odlanie pierścieni zewnętrznych. Niestety, odlanie pierścieni górnych okazało się, na obecnym etapie, niedoskonałe i dlatego
202 zastąpiono je przylutowanymi pierścieniami miedzianymi. Na rysunku 3 pierścień dolny (wirnik
203 Rys. 3. Infiltrowany magnetowód silnika asynchronicznego Fig. 3. Infiltrated rotor s magnetic core of asynchronous motor przedstawiony jest w pozycji odwrotnej do jego pozycji w trakcie infiltrowania) jest przylutowanym pierścieniem miedzianym. Otwór w rdzeniu na wał wirnika wiercono po zainfiltrowaniu magnetowodu i spieczeniu jego rdzenia. 3. WYNIKI BADAŃ Wykonane infiltrowane wirniki, po osadzeniu ich na wale, montowano w tym samym stojanie silnika asynchronicznego. Silniki badano na hamownicy indukcyjnej. Zmierzono charakterystyki biegu jałowego, obciążenia i stanu zwarcia silników z zamontowanymi wirnikami infiltrowanymi. W celu zweryfikowania możliwości zastąpienia fabrycznego wirnika blachowego wykonanymi wirnikami infiltrowanymi zmierzono również charakterystyki silnika fabrycznego. Na rysunkach 4 9 przedstawiono wybrane charakterystyki badanych silników. Prąd biegu jałowego I0 [A]. 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Un 0,0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Napięcie biegu jałowego U0 [V]. Moment obrotowy M [mn m]. 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Moc P2 [W]. Rys. 4. Charakterystyki prądu biegu jałowego Fig. 4. Idle current characteristics Rys. 5. Charakterystyki momentu obrotowego Fig. 5. Characteristics of output torque
204 1400 1,0 Prędkość obrotowa n [obr/min]. 1200 1000 800 600 400 200 Współczynnik mocy cos f [-] 0,8 0,6 0,4 0,2 Pn 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Moc P2 [W]. 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 Moc P2 [W] Rys. 6. Charakterystyki prędkości obrotowej Fig. 6. Rotational speed characteristics Rys. 7. Charakterystyki współczynnika mocy Fig. 7. Characteristics of power factor 0,5 600 Prąd obciążenia I [A]. 0,4 0,3 0,2 0,1 Moment rozruchowy M r [mn m]. 500 400 300 200 100 Pn 0 0,0 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40 50 60 70 Moc P2 [W]. Napięcie zwarcia U z [V]. Rys. 8. Charakterystyki prądu obciążenia Fig. 8. Load current characteristics Rys. 9. Charakterystyki momentu rozruchowego Fig. 9. Characteristics of staring torque 4. PODSUMOWANIE Prezentowane badania stanowią kontynuację prac doświadczalnych związanych z opracowaniem technologii i określeniem możliwości zastosowania magnetycznie miękkich infiltrowanych kompozytów proszkowych [3, 5]. Badania potwierdziły możliwość zastosowania tego typu kompozytów na magnetowody wirników silników asynchronicznych. Widoczny jest wpływ grubości warstwy infiltrowanej na właściwości ruchowe silnika asynchronicznego. Stopień infiltracji magnetowodu jest jeszcze zbyt mały, aby zastąpić klatkę aluminiową wirnika fabrycznego.
Zaobserwować można, że zastosowanie warstwy grubości 1,5h zachowuje zalety wirnika infiltrowanego w postaci zwiększonego momentu obrotowego, zwłaszcza rozruchowego, a poprawia między innymi charakterystykę prędkości obrotowej. Nie zaobserwowano korzystnego wpływu zwiększonej grubości na wartości prądów pobieranych przez silnik, zarówno w stanie jałowym, jak i obciążenia. Jedynie w stanie zwarcia prądy rozruchowe silników z wirnikami infiltrowanymi są istotnie niższe (a momenty rozruchowe wyższe) niż z wirnikiem klatkowym. Reasumując, można stwierdzić, że zwiększenie grubości warstwy infiltrowanej poprawiło właściwości ruchowe prezentowanych silników. Podstawowym problemem wykorzystania magnetowodów infiltrowanych jest wykonanie warstwy infiltrowanej tak, aby zastąpiła ona w sposób optymalny klatkę aluminiową wirnika blachowego, pozostawiając na nie zmienionym poziomie korzyści wynikające ze zwiększonej rezystancji magnetowodu wirnika. Istotne jest opracowanie technologii umożliwiającej wykonywanie wyprasek o dowolnej porowatości i sposobie ich infiltracji. Korzystne z ekonomicznego punktu widzenia byłoby wykonywanie infiltrowanych cylindrów zewnętrznych z infiltrowanych dielektromagnetyków. Wymaga to jednakże zastosowania nie opracowanych obecnie izolacji cząstek proszku żelaza odpornej na temperaturę infiltracji oraz, nie znanych również, infiltratów lub gęstw o odpowiednio niskich temperaturach topnienia. Sprawy te będą tematem dalszych prac związanych z tym zagadnieniem. Dalszy problemem wymagający dopracowania stanowią pierścienie zwierające zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne, ich technologia oraz liczba zależna od stosunku długości wirnika do jego średnicy, a także zbadanie ich wpływu na parametry ruchowe silnika. LITERATURA 205 [1] JACK A. G., Experience with the Use of Soft Magnetic Composites in Electrical Machines, International Conference on Electrical Machines, September, 1998, Istanbul, Turkey, s. 1441 1448. [2] JANSSON P., PERSSON M. JACK A. G., MECROW B. C., Composites pave the way to the electrical machine designs of the future, paper presented at Euro PM 95, Birmingham, 1995, Höganäs Iron Powder Information PM 95-4, s. 1 8. [3] JANTA T.: Asynchronous Motors with Cage and Composite Rotors, 34 th International Symposium on Electrical Machines SME 98, Lodz, Poland, Zeszyty Naukowe, Elektryka No 92, Politechnika Łódzka, 1998, s. 97 102. [4] JANTA T., A. KORDECKI, WĘGLIŃSKI B., Idea of Magnetic Conductive Elements for Electrical Machines made of Powder Composites, Third International Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromechanical and Electrical Systems 3 rd ISTC UEES 97, Aluszta, The Crimea, Ukraine, 1997, s. 1125 1130. [5] JANTA T., WĘGLIŃSKI B., Properties of Magnetic Conductive PM Composites, 1998 Powder Metallurgy World Congress & Exhibition, Granada, Spain, 1998, Vol. 5, s. 550 555. [6] JANTA T., WEGLINSKI B., Comparative Tests of Dielectromagnetics, XV Symposium Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits, XV EPNC 98, Liege, Belgium, 1998, s. 130 133. [7] KORDECKI A., Dielektromagnetyki specjalne magnetowodów maszyn elektrycznych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Raport serii SPR nr 34/99, Wrocław, 1999.
206 [8] SELLERS C. H., HYDE T. A., Soft magnetic composites for applications in an electrical components, Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, Vol. 6, Part 20, Magnetics, 1996, s. 20-99 20-112. INFLUENCE OF INFILTRATED LAYER OF POWDER ROTOR THICKNESS ON ASYNCHRONOUS MOTOR CHARACTERISTICS Technology of integrated rotors, for a small power asynchronous motors, made of copper infiltrated powder composites is presented in the paper. Preliminary research proved possibilities of this solution, and indicated its advantage. In effect increase of starting torque was obtained. The rotor consist of two layers. Internal part, in form of cylinder, is made of dense magnetic sinter. The outside layer, in form of tube, is a porous skeleton made of magnetic sinter infiltrated with copper. Influence of thickness of infiltrated outside tube for chosen performance characteristics of asynchronous motor are presented and compared in the paper.