KOMPOZYTY MAGNETYCZNE W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH MAGNETIC COMPOSITES IN ELECTRIC MACHINES ELEKTRYKA 2011

Podobne dokumenty
XV International PhD Workshop OWD 2013, October Nowoczesne materiały magnetyczne dla zastosowań w mechatronice

HYBRYDOWE ELEMENTY OBWODU MAGNETYCZNEGO WYTWARZANE METODĄ KLEJENIA

ZASTOSOWANIE DOMIESZKOWANYCH DIELEKTROMAGNESÓW NdFeB W SILNIKACH PRĄDU STAŁEGO

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH I ELEKTRYCZNYCH MAGNESÓW TRWAŁYCH PRZEZNACZONYCH NA OBWODY MAGNETYCZNE MASZYN ELEKTRYCZNYCH

WPŁYW ZJAWISK STARZENIOWYCH NA WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE KOMPOZYTÓW PROSZKOWYCH TYPU DIELEKTROMAGNETYK

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MAGNESÓW TRWAŁYCH PRZEZNACZONYCH NA OBWODY MAGNETYCZNE MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

MAGNETO Sp. z o.o. Możliwości wykorzystania taśm nanokrystalicznych oraz amorficznych

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE KOMPOZYTÓW EPOKSYDOWYCH NAPEŁNIONYCH PROSZKIEM FERRYTU STRONTU

Materiały magnetyczne miękkie wykorzystywane w magnetowodach silników tarczowych

POMIAROWE POTWIERDZENIE IZOTROPII MAGNETYCZNEJ DIELEKTROMAGNETYKU

Dławik indukcyjny z proszkowym rdzeniem dielektromagnetycznym

ZASTOSOWANIE MONOLITYCZNYCH NADPRZEWODNIKÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Wpływ temperatury pracy na właściwości magnetyczne dielektromagnetyków z proszków Ŝelaza

WPŁYW TEMPERATURY PRACY NA STRATNOŚĆ DIELEKTROMAGNETYKÓW

WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW MAGNETYCZNIE TWARDYCH O STRUKTURZE KOMPOZYTOWEJ

IX International PhD Workshop OWD 2007, October 2007 BADANIA SYMULACYJNE SILNIKA MAGNETOELEKTRYCZNEGO PRĄDU STAŁEGO

Studia i Materiały Nr WPŁYW GRUBOŚCI WARSTWY INFILTROWANEJ WIRNIKA KOMPOZYTOWEGO NA WŁAŚCIWOŚCI RUCHOWE SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO

WPŁYW TEMPERATURY KRIOGENICZNEJ NA CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE MAGNETOELEKTRYCZNEGO SILNIKA BEZSZCZOTKOWEGO

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WZORU UŻYTKOWEGO (19,PL <11) 62049

ANALIZA STRUKTUR MAGNETOELEKTRYCZNYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH O ROZRUCHU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM. MODELOWANIE

Politechnika Lubelska Wydział Elektrotechniki i Informatyki Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Wysokich Napięć. Dr hab.

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/18

PORÓWNANIE JEDNOFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO I JEDNOFAZOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI. BADANIA EKSPERYMENTALNE

3. Materiały stosowane do budowy maszyn elektrycznych

H a. H b MAGNESOWANIE RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

WPŁYW RODZAJU DIELEKTRYKU NA WŁAŚCIWOŚCI DIELEKTROMAGNETYKÓW

INSPECTION METHODS FOR QUALITY CONTROL OF FIBRE METAL LAMINATES IN AEROSPACE COMPONENTS

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

(13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1 H02P 1/34

ELEMENTY KOMPOZYTOWE ZINTEGROWANE

Materiały magnetycznie miękkie i ich zastosowanie w zmiennych polach magnetycznych. Jacek Mostowicz

Elementy indukcyjne. Konstrukcja i właściwości

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

Wpływ temperatury wygrzewania na właściwości magnetyczne i skład fazowy taśm stopu Fe 64,32 Nd 9,6 B 22,08 W 4

ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA KOMPOZYTÓW NA OSNOWIE STOPU AlSi13Cu2 WYTWARZANYCH METODĄ SQUEEZE CASTING

KOMPOZYTOWE MATERIAŁY MAGNETYCZNIE TWARDE Nd-Fe-B O OSNOWIE POLIMEROWEJ

PRACA DYPLOMOWA W BUDOWIE WKŁADEK FORMUJĄCYCH. Tomasz Kamiński. Temat: ŻYWICE EPOKSYDOWE. dr inż. Leszek Nakonieczny

Nowoczesne metody metalurgii proszków. Dr inż. Hanna Smoleńska Materiały edukacyjne DO UŻYTKU WEWNĘTRZNEGO Część III

MATERIAŁY SPIEKANE (SPIEKI)

Przegląd koncepcji maszyn wzbudzanych hybrydowo do zastosowania w napędzie samochodów

MATEMATYCZNY MODEL PĘTLI HISTEREZY MAGNETYCZNEJ

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE KOMPOZYTÓW AlSi13Cu2- WŁÓKNA WĘGLOWE WYTWARZANYCH METODĄ ODLEWANIA CIŚNIENIOWEGO

Nauka o Materiałach dr hab. inż. Mirosław Bućko, prof. AGH B-8, p. 1.13, tel

Lekcja 59. Histereza magnetyczna

WPŁYW RODZAJU I ZAWARTOŚCI DIELEKTRYKU NA WŁAŚCIWOŚCI DIELEKTROMAGNETYKÓW

ANALIZA CHARAKTERYSTYK TARCZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO WYKORZYSTUJĄCEGO RÓŻNE MATERIAŁY MAGNETYCZNE RDZENI STOJANA I WIRNIKA

POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

ROZWÓJ MAGNETYCZNYCH KOMPOZYTÓW PROSZKOWYCH W POLITECHNICE WROCŁAWSKIEJ

WYKŁAD 15 WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE MAGNESÓW TRWAŁYCH

WIROWYCH. Ćwiczenie: ĆWICZENIE BADANIE PRĄDÓW ZAKŁ AD ELEKTROENERGETYKI. Opracował: mgr inż. Edward SKIEPKO. Warszawa 2000

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

SILNIK BEZSZCZOTKOWY O WIRNIKU KUBKOWYM

WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA STRATNOŚĆ DIELEKTROMAGNETYKÓW

A. PATEJUK 1 Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa ul. S. Kaliskiego 2, Warszawa

BADANIA SYMULACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH PRZEŁĄCZALNYCH PRZEZNACZONYCH DO NAPĘDU WYSOKOOBROTOWEGO

Nanokompozytyna osnowie ze stopu aluminium zbrojone cząstkami AlN

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 17/15

Badania starzeniowe kompozytowych materiałów ekranujących pole EM wytworzonych metodą dwuźródłowego rozpylania magnetronowego

30/01/2018. Wykład VII: Kompozyty. Treść wykładu: Kompozyty - wprowadzenie. 1. Wprowadzenie. 2. Kompozyty ziarniste. 3. Kompozyty włókniste

Silniki indukcyjne. Ze względu na budowę wirnika maszyny indukcyjne dzieli się na: -Maszyny indukcyjne pierścieniowe. -Maszyny indukcyjne klatkowe.

składają się z trzech faz: fazy ferromagnetycznej

Wykład VII: Kompozyty. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Technologie wytwarzania. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Kondensatory. Konstrukcja i właściwości

NANOKRYSTALICZNE, DWUFAZOWE MAGNESY IZOTROPOWE OTRZYMYWANE METODĄ WYSOKOENERGETYCZNEGO ROZDRABNIANIA ETAP I

ALUMINIOWE KOMPOZYTY Z HYBRYDOWYM UMOCNIENIEM FAZ MIĘDZYMETALICZNYCH I CERAMICZNYCH

NERONIT - nowoczesny magnes trwały na bazie materiałowej NdFeB

DETECTION OF MATERIAL INTEGRATED CONDUCTORS FOR CONNECTIVE RIVETING OF FUNCTION-INTEGRATIVE TEXTILE-REINFORCED THERMOPLASTIC COMPOSITES

BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNYCH RDZENI TRANSFORMATORÓW I DŁAWIKÓW DO PRZEKSZTAŁTNIKÓW

SILNIK MAGNETOELEKTRYCZNY TARCZOWY Z TWORNIKIEM BEZ RDZENIA FERROMAGNETYCZNEGO

Projektowanie systemów EM. dr inż. Michał Michna

PL B1. INSTYTUT NAPĘDÓW I MASZYN ELEKTRYCZNYCH KOMEL, Katowice, PL BUP 05/12

Konstrukcje Maszyn Elektrycznych

KONSTRUKCJA HYBRYDOWYCH NARZĘDZI DO OBRÓBKI ELEMENTÓW OPTYCZNYCH. Grzegorz BUDZIK *, Sławomir SOŁTYS

MATERIAŁY MAGNETYCZNE WYKORZYSTYWANE W PRZETWORNICACH DC-DC MAGNETIC MATERIALS USED IN DC-DC CONVERTERS ELEKTRYKA 2012

Projekt silnika bezszczotkowego prądu przemiennego. 1. Wstęp. 1.1 Dane wejściowe. 1.2 Obliczenia pomocnicze

KRZEPNIĘCIE KOMPOZYTÓW HYBRYDOWYCH AlMg10/SiC+C gr

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.

SILNIK ELEKTRYCZNY O WZBUDZENIU HYBRYDOWYM

MAGNETOELEKTRYCZNY SILNIK MAŁEJ MOCY WZBUDZANY MAGNESAMI HYBRYDOWYMI

Peter Schramm pracuje w dziale technicznym FRIATEC AG, oddział ceramiki technicznej.

SPOSÓB MINIMALIZACJI MOMENTU ZACZEPOWEGO W WIELOBIEGUNOWEJ MASZYNIE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

σ c wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie

Biuletyn Informacyjny ITS (Instytutu Transportu Samochodowego)

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

TECHNOLOGIA MONTAŻU MAGNESÓW TRWAŁYCH W WIRNIKU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY

OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK132

Maszyny elektryczne. Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.

Projektowanie systemów EM. dr inż. Michał Michna

Badania maszyny reluktancyjnej przełączalnej, przeznaczonej do napędu lekkiego pojazdu elektrycznego

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL BUP 08/13

Transkrypt:

ELEKTRYKA 2011 Zeszyt 4 (220) Rok LVII Mariusz NAJGEBAUER, Jan SZCZYGŁOWSKI Instytut Elektroenergetyki, Politechnika Częstochowska KOMPOZYTY MAGNETYCZNE W MASZYNACH ELEKTRYCZNYCH Streszczenie. Kompozyty magnetyczne są produkowane z proszku magnetycznego związanego przez substancje wiążące lub żywice, które spajają ziarna proszku oraz tworzą na ich powierzchni warstwę izolacyjną. Kompozyty magnetyczne są coraz częściej stosowane w maszynach elektrycznych ze względu na korzystne właściwości magnetyczne i mechaniczne. W pracy omówiono budowę, właściwości oraz korzyści wynikające z zastosowania materiałów kompozytowych na obwody magnetyczne maszyn elektrycznych. Słowa kluczowe: kompozyty magnetyczne, technologia wytwarzania, kształtowanie właściwości magnetycznych i mechanicznych, zastosowanie w maszynach elektrycznych MAGNETIC COMPOSITES IN ELECTRIC MACHINES Summary. Magnetic composites are produced from magnetic powder bounded by dielectric binders or resins, which makes a dielectric layer on magnetic grains. Magnetic composite materials are more and more often applied in electric machines due to their favorable magnetic and mechanical properties. The paper describes the structure and properties of magnetic composite materials as well as advantages result from their application on magnetic circuits of electric machines. Keywords: magnetic composites, production technology, tailoring of magnetic and mechanical properties, application in electric machines 1. WPROWADZENIE Materiały magnetycznie o strukturze nanokrystalicznej, krystalicznej oraz amorficznej charakteryzują się bardzo korzystnymi właściwościami magnetycznymi, natomiast ich właściwości mechaniczne są często niewystarczające. Ogranicza to możliwości ich zastosowania w maszynach elektrycznych. Alternatywnym rozwiązaniem są kompozyty magnetyczne, łączące korzystne właściwości magnetyczne i mechaniczne, co umożliwia miniaturyzację oraz dowolne kształtowanie obwodów magnetycznych maszyn elektrycznych.

30 M. Najgebauer, J. Szczygłowski 2. WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW MAGNETYCZNYCH Głównym składnikiem kompozytów magnetycznych jest proszek magnetyczny, uzyskany poprzez zmielenie materiału magnetycznego w młynkach wysokoenergetycznych bądź poprzez rozpylenie materiału w fazie ciekłej [1-3]. Proszek magnetyczny jest wzbogacany domieszkami i substancjami wiążącymi o właściwościach dielektrycznych (żywice, polimery), które ułatwiają spajanie ziaren proszku oraz tworzą na ich powierzchni warstwę izolującą. Następnie proszek jest formowany w element obwodu magnetycznego, najczęściej w procesie formowania ciśnieniowego lub wtryskowego [1-8]. Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie strukturę kompozytu magnetycznego. Rys. 1. Struktura kompozytu magnetycznego (opracowano na podstawie [9]) Fig. 1. Structure of magnetic composites (worked out based on [9]) Kompozyty magnetyczne umożliwiają formowanie obwodów magnetycznych o skomlikowanych kształtach oraz małych wymiarach, trudnych do uzyskania w przypadku materiałów konwencjonalnych. Obwody magnetyczne wytworzone z kompozytów posiadają wysoką dokładność wykonania, co ogranicza konieczność dodatkowej obróbki mechanicznej. Proces ich wytwarzania charakteryzuje się również niższymi kosztami produkcyjnymi i materiałowymi (mniejsza ilość odpadów produkcyjnych), co jest istotne ze względów ekonomicznych i ekologicznych [4,5,7,8,10-12]. 3. WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW MAGNETYCZNYCH Właściwości magnetyczne, mechaniczne oraz elektryczne elementów wykonanych z kompozytów magnetycznych zależą przede wszystkim od: właściwości magnetycznych zastosowanego proszku, wielkości ziarna proszku,

Kompozyty magnetyczne w maszynach 31 ilości i rodzaju domieszek, ilości i rodzaju substancji wiążącej, technologii formowania rdzenia, parametrów procesu formowania, jak ciśnienie, temperatura, dodatkowej obróbki [3,5,8-10,12-14,13-24]. Kompozyty magnetyczne, ze względu na właściwości magnetyczne zastosowanego proszku, można podzielić na dwie grupy: kompozyty magnetyczne miękkie, wytwarzane przede wszystkim z proszków otrzymywanych z czystego żelaza, miękkich ferrytów, stopów Fe-P, Fe-Si, Fe-Ni oraz stopów amorficznych i nanokrystalicznych, kompozyty magnetycznie twarde, wytwarzane przede wszystkim z proszków otrzymywanych z ferrytów na bazie Ba i Sr, stopów Al.-Ni-Co, Sm-Co, Nd-Fe-B i twardych stopów nanokrystalicznych [1,4,5,8,11,12]. 3.1. Kompozyty magnetycznie miękkie Kompozyty magnetycznie miękkie są zbudowane z ziaren proszku magnetycznie miękkiego osadzonego w matrycy z materiału dielektrycznego. Kompozyty te są najczęściej produkowane technologią formowania ciśnieniowego [8,11,12]. Warstwa dielektryka izoluje poszczególne ziarna od siebie, co wpływa na właściwości materiału. Wprowadzenie dielektryka do materiału kompozytowego skutkuje wzrostem jego rezystywności oraz ograniczeniem przepływu prądów wirowych. Powoduje to obniżenie strat energii w materiale, zwłaszcza w wyższych częstotliwościach. Stosunkowo wysoka zawartość dielektryka w kompozycie pogarsza jednak jego właściwości magnetyczne (niższa indukcja nasycenia BS oraz przenikalność magnetyczna max). Wzrost procentowej zawartości dielektryka w składzie kompozytu powoduje jednocześnie poprawę jego właściwości mechanicznych [2,6-8,11,14-17,20,21]. W tabeli 1 przedstawiono wpływ zawartości dielektryka na wybrane właściwości kompozytu Silame (sproszkowana taśma nanokrystaliczna Co68Fe4Mo1Si13,5B13,5 wymieszana z silikonem technicznym). Właściwości kompozytów magnetycznych zależą również od parametrów operacji technologicznych ich wytwarzania, zarówno na etapie przygotowania proszku magnetycznego (czas mielenia), jak również procesu formowania elementu (ciśnienie prasowania) [2,7,21]. Czas mielenia materiału magnetycznego wpływa na wielkość i kształt ziaren proszku. Duże ziarna o ostrych krawędziach, otrzymane przy krótkich czasach mielenia, lepiej wiążą się z matrycą dielektryczną kompozytu, co zapewnia lepsze właściwości mechaniczne kompozytu.

32 M. Najgebauer, J. Szczygłowski Wybrane właściwości magnetyczne kompozytu Silame [6] Tabela 1 Parametr magnetyczny Procentowa zawartość dielektryka 14% 17% 20% 25% 33% B S [T] 0,72 0,60 0,54 0,51 0,50 max [-] 34,7 30,8 33,4 24,3 16,1 P [W/kg] 1,7 1,2 1,0 0,9 0,75 W kompozycie magnetycznym występują niewielkie pory tworzące tzw. szczeliny powietrzne. W przypadku proszku o dużych ziarnach liczba szczelin powietrznych jest niewielka. Natomiast dla proszku o małych ziarnach, otrzymywanych przy długich czasach mielenia, obserwuje się wzrost liczby szczelin w kompozycie, co pogarsza jego właściwości magnetyczne, co przedstawiono na rysunku 2 [2,14,21,22]. 78 Przenikalność magnetyczna [-] 76 74 72 70 68 66 64 62 < 150 mikronów < 45 mikronów 60 1 10 100 1000 Częstotliwość [Hz] Rys. 2. Wpływ wielkości ziarna na przenikalność magnetyczną (opracowano na podstawie [22]) Fig. 2. Influence of grain size on magnetic permeability (worked out based on [22]) Zasadniczy wpływ na właściwości kompozytu ma także ciśnienie, przy którym jest on prasowany w formie. Wyższe ciśnienie formowania redukuje liczbę szczelin powietrznych, co wpływa korzystnie na właściwości magnetyczne oraz mechaniczne kompozytu (większa twardość i wytrzymałość na ściskanie). Wyższe ciśnienie prasowania zwiększa jednocześnie naprężenia mechaniczne w ziarnach, co pogarsza jego właściwości mechaniczne. Naprężenia

Kompozyty magnetyczne w maszynach 33 te mogą zostać usunięte poprzez obróbkę termiczną. Temperatura procesu nie może być zbyt wysoka, gdyż może nastąpić uszkodzenie powłok izolacyjnych ziaren, a w efekcie wzrost stratności materiału [6-8,14-19,22]. 3.2. Kompozyty magnetycznie twarde Kompozyty magnetycznie twarde są otrzymywane metodą wiązania magnetycznie twardego proszku za pomocą żywicy epoksydowej lub poliamidu. Właściwości tych kompozytów mogą być kształtowane poprzez domieszkowanie oraz zmianę parametrów procesu wytwarzania [1,4,5,12,23-26]. Najpopularniejsze kompozyty magnetycznie twarde są otrzymywane ze sproszkowanego stopu NdFeB. Podstawową wadą kompozytów NdFeB są słabe właściwości mechaniczne oraz ujemny temperaturowy współczynnik koercji TK(HcJ). Poprawa właściwości mechanicznych kompozytów NdFeB jest możliwa poprzez ich odpowiednie domieszkowanie, na przykład proszkiem żelaza. Wzbogacenie składu kompozytu o proszek żelaza powoduje wzrost jego twardości oraz wytrzymałości na ściskanie i zginanie. Dodatkowo, domieszkowanie proszkiem żelaza obniża koszty produkcji. Wzrost zawartości żelaza w kompozytach NdFeB wpływa negatywnie na ich właściwości magnetyczne [12, 23, 27]. W tabeli 2 przedstawiono wpływ domieszkowania żelazem na właściwości magnetyczne i mechaniczne materiału kompozytu NdFeB. Tabela 2 Wpływ domieszkowania proszkiem żelaza na właściwości kompozytu na bazie NdFeB [27] Właściwości magnetyczne i mechaniczne Zawartość proszku Fe B r H cb (BH) max HBW R C [MPa] [T] [ka/m] [kj/m 3 ] [-] [-] 0% Fe 0,724 448,5 84,6 112,1 35,0 5% Fe 0,694 385,9 66,1 118,8 36,6 10% Fe 0,690 349,8 62,6 130,6 37,1 15% Fe 0,684 314,0 51,8 136,2 37,7 HBW twardość, RC wytrzymałość na ściskanie Współczynnik TK(HcJ) ma zasadniczy wpływ na pracę magnesów trwałych w wysokich temperaturach, gdyż jego ujemna wartość oznacza pogarszanie się właściwości magnetycznych wraz ze wzrostem temperatury. Ogranicza to zastosowanie kompozytów

34 M. Najgebauer, J. Szczygłowski w podwyższonych temperaturach. Poprawa współczynnika TK(HcJ) jest możliwa na drodze domieszkowania materiału proszkiem ferrytu, który posiada dodatnią wartość współczynnika TK(HcJ). Zwiększenie procentowego udziału proszku ferrytu w składzie kompozytu z 24% do 73% powoduje wzrost współczynnika TK(HcJ) z wartości -0,31 do wartości -0,22. Równocześnie powoduje to jednak znaczące pogorszenie właściwości magnetycznych kompozytu [12,23-27]. Właściwości kompozytów magnetycznie twardych zależą również od parametrów procesu ich wytwarzania. Mieszanina proszku magnetycznego, domieszek i substancji wiążących jest utwardzana w matrycy, zazwyczaj w temperaturze 180 C. Zwiększenie temperatury utwardzania do 600 C powoduje rozrost ziaren, co pogarsza właściwości magnetyczne kompozytu. W przypadku kompozytów otrzymywanych w procesie formowania wtryskowego temperatura wtrysku ma zasadniczy wpływ na właściwości mechaniczne, jak wytrzymałość na ściskanie oraz zgniatanie [25]. 4. PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA KOMPOZYTÓW MAGNETYCZNYCH 4.1. Zastosowania kompozytów magnetycznie miękkich Kompozyty o miękkich właściwościach magnetycznych są alternatywnym materiałem dla miękkich ferrytów i blach elektrotechnicznych. Miękkie ferryty charakteryzują się niskimi stratami w zakresie wysokich częstotliwości, lecz także niską indukcją, co warunkuje duże wymiary rdzenia. Blachy elektrotechniczne mają wysoką indukcję nasycenia, jednak zakres ich zastosowań w wysokich częstotliwościach jest ograniczony ze względu na duże straty energii związane z prądami wirowymi. Kompozyty magnetyczne mogą być natomiast stosowane w obszarach zastosowań niedostępnym dla ferrytów i blach elektrotechnicznych, co przedstawia rysunek 3 [11]. Gorsze właściwości magnetyczne rdzeni kompozytowych powodują, że bezpośrednie zastąpienie rdzeni z klasycznych materiałów magnetycznych przez rdzenie z kompozytów jest mało efektywne. Zastosowanie kompozytów magnetycznych w maszynach elektrycznych wymaga przeprojektowania urządzenia, uwzględniającego zalety oraz ograniczenia kompozytów [5,9,11,15,29-31]. W przypadku jednofazowego silnika synchronicznego zastąpienie rdzenia stojana z blachy elektrotechnicznej przez rdzeń kompozytowy z Somaloyu o identycznych wymiarach konstrukcyjnych powoduje wzrost strat w rdzeniu stojana i spadek sprawności silnika. Optymalizacja konstrukcji kompozytowego rdzenia stojana umożliwia ograniczenie strat w rdzeniu oraz zwiększenie sprawności silnika [31]. W tabeli 3 porównano parametry silników synchronicznych o różnych konstrukcjach rdzenia stojana.

Kompozyty magnetyczne w maszynach 35 Rys. 3. Obszar zastosowań kompozytów magnetycznie miękkich (opracowano na podstawie [28-30]) Fig. 3. Area of application of soft magnetic composites (worked out based on [28-30]) Tabela 3 Wybrane parametry silnika synchronicznego o różnych konstrukcjach rdzeniach stojana [31] Parametry silnika Materiał i konstrukcja rdzenia stojana Blacha Fe-Si Somaloy Somaloy (zoptymalizowany ) P n [W] 10,66 10,66 10,66 M n [mn m] 34 34 34 P Fe [W] 3,72 6,78 4,57 [%] 41 37 40,5 Wykorzystanie w maszynach elektrycznych kompozytów magnetycznych, połączone z optymalizacją budowy obwodu magnetycznego, pozwala na znaczące ograniczenie ilości zastosowanych części, redukcję rozmiaru i wagi urządzenia oraz zmniejszenie kosztów wytwarzania [7,8,11,28-30]. Szacuje się, że do budowy obwodów magnetycznych silnika liniowego potrzeba około 1300 elementów wykonanych z blach elektrotechnicznych, natomiast z zastosowaniem kompozytów magnetycznych wystarcza 5 elementów [29,30], co przedstawiono schematycznie na rysunku 4.

36 M. Najgebauer, J. Szczygłowski a) b) Rys. 4. Liczba elementów na obwody magnetyczne silnika liniowego: a) wykonanie z blachy elektrotechnicznej, b) wykonanie z kompozytów magnetycznych (opracowano na podstawie [29,30]) Fig. 4. Number of parts of magnetic circuits for linear machines: a) made of electrotechnical steel sheets, b) made of magnetic composites (worked out based on [29,30]) Kompozyty magnetycznie miękkie są wykorzystywane w transformatorach wysokich częstotliwości i sygnałowych, w silnikach, w czujnikach, w urządzeniach pomiarowych stosowanych w energetyce, w falownikach, w urządzeniach pracujących w wysokich temperaturach (np. w silnikach elektrycznych w samolotach) [5,7,8,11,28]. 4.2. Zastosowania kompozytów magnetycznie twardych Kompozyty magnetycznie twarde NdFeB domieszkowane proszkiem ferrytowym mają lepsze właściwości magnetyczne w porównaniu z magnesami ferrytowymi, stosowanymi powszechnie w silnikach prądu stałego [26], co przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4 Właściwości magnesów ferrytowych i kompozytowych [26] Materiał magnesu Właściwości magnetyczne B r [T] H cb [ka/m] (BH) max [kj/m 3 ] 100% ferrytu 0,36 278 26,3 50% NdFeB + 50% ferrytu 0,30 192 15,7 75% NdFeB + 25% ferrytu 100% NdFeB 0,44 304 35,2 0,62 456 72,0

Kompozyty magnetyczne w maszynach 37 Zastąpienie w silnikach prądu stałego magnesów ferrytowych przez magnesy kompozytowe na bazie NdFeB poprawia parametry użytkowe urządzenia. W tabeli 5 porównano parametry fabrycznego silnika z magnesami ferrytowymi z parametrami silników, w których zastosowano magnesy kompozytowe na bazie NdFeB. W większości przypadków w silnikach z magnesami kompozytowymi stwierdzono wzrost mocy silnika i jego sprawności w stosunku do silnika fabrycznego [26]. Tabela 5 Wybrane parametry silników prądu stałego [26] Materiał magnesu Parametry techniczne silnika I we [A] v [rpm] Moc [W] [%] 100% ferrytu - - 10,0 54,0 50% NdFeB + 50% ferrytu 75% NdFeB + 25% ferrytu 0,930 2911 8,93 40,0 0,846 3700 11,38 57,0 100% NdFeB 0,750 3693 11,36 63,2 Zastosowanie w silniku prądu stałego magnesów kompozytowych na elementy wzbudzenia oraz kompozytów magnetycznie miękkich na obwody magnetyczne wirnika umożliwia sterowanie parametrami technicznymi urządzeń, bez konieczności wprowadzania zmian konstrukcyjnych, np. liczby uzwojeń wirnika, wymiarów wirnika [4]. Kompozyty magnetycznie twarde znalazły zastosowanie jako magnesy trwałe w małych silnikach wykorzystywanych w motoryzacji czy urządzeniach gospodarstwa domowego, w czujnikach ABS, w głośnikach, w słuchawkach, a także w systemach tomografii komputerowej i urządzeniach do wykrywania tkanek nowotworowych [4,6,8,26]. 5. PODSUMOWANIE Kompozyty magnetyczne charakteryzują się korzystnym połączeniem właściwości magnetycznych i mechanicznych. Ponadto, ich właściwości mogą być w szerokim zakresie kształtowane poprzez odpowiedni dobór składu mieszaniny (rodzaj i ilość proszku magnetycznego, substancji wiążących oraz domieszek) oraz parametrów technologicznych procesu ich wytwarzania. Właściwości kompozytów magnetycznych umożliwiają miniaturyzację maszyn elektrycznych, jak też projektowanie urządzeń o konkretnych parametrach użytkowych, zgodnych z wymaganiami odbiorcy.

38 M. Najgebauer, J. Szczygłowski Dodatkową zaletą maszyn elektrycznych z elementami wykonanymi z kompozytów magnetycznych jest znacznie prostszy odzysk surowców zastosowanych do ich produkcji, co jest istotne ze względów ekonomicznych i ekologicznych. BIBLIOGRAFIA 1. Ślusarek B.: Powder magnetic materiale. Przegląd Elektrotechniczny 2010, Nr 4, s. 16-19. 2. Konieczny J., Dobrzański L.A., Magnetycznie miękkie materiały kompozytowe polimercząstki proszku stopu Co68Fe4Mo1Si13,5B13,5, Composites, 2006, vol. 6, s. 81-84. 3. Biało D.: Wytwarzanie kompozytów w procesach metalurgii proszków. Composites, 2001, vol. 1, s. 89-92. 4. Ślusarek B., Gwaryś P., Przybylski M.: New PM magnetic developments. Metal Powder Report 2009, vol. 64, p. 18-24. 5. Węgliński B.: Rozwój magnetycznych kompozytów proszkowych w Politechnice Wrocławskiej. Studia i Materiały 2005, vol. 58, s. 89-98. 6. Dobrzański L.A., Ziębowicz B., Drak M.: Mechanical properties and the structure of magnetic composite materials. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2006, vol. 18, p. 79-82. 7. Ziębowicz B., Szewieczek D., Dobrzański L.A.: New possibilities of application of composite materials with soft magnetic properties. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2007, vol. 20, p. 207-210. 8. Dobrzański L.A., Drak M., Ziębowicz B.: Manufacturing, properties and application of composite materials with specific magnetic properties. Archives of Materials Science 2008, vol. 29, p. 159-167. 9. www.hoganas.com 10. Drak M., Ziębowicz B., Dobrzański L.A.: Manufacturing of hard magnetic composite materials Nd-Fe-B. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2008, vol. 31, p. 91-95. 11. Shokrollahi H., Janghorban K.: Soft magnetic composite materials (SMCs). Journal of Processing Technology 2007, vol. 189, p. 1-12. 12. Dobrzański L.A., Drak M.: Hard magnetic composite materials Nd-Fe-B with additions of iron and X2CrNiMo-17-12-2 steel. Jour. of Alloys and Compounds 2008, Vol. 449, p. 88-92. 13. Pang Y.X., Hodgson S.N.B., Koniarek J., Węgliński B.: The influence of the dielectric on the properties of dielectromagnetic soft magnetic components. Investigations with silica

Kompozyty magnetyczne w maszynach 39 and silica hybrid sol-gel derived model dielectric. Journal of Magnetism and Magnetic Materiale 2007, vol. 301, s. 83-91. 14. Jansson P.: SMC materials including present and future applications, praca prezentowana na World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC 2000, New York, USA, 2000, 11 s., www.hoganas.com. 15. Hultman L.O., Jack A.G.: Soft magnetic composites motor design issues and applications, praca prezentowana na World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC 2004, Chicago, USA, 2004, 11 s., www.hoganas.com. 16. Zhou Y., Hultman L.O., Kjellén L.: Production aspects of SMC Components, praca prezentowana na World Congress of Powder Metallurgy PM2004, Vienna, Austria, 2004, 8s., www.hoganas.com. 17. Hultman L.O., Persson M., Engdahl P.: Soft magnetic composites for advanced machine design, praca prezentowana na Promoting Powder Metallurgy in Asia PMAsia 2005, Shanghai, China, 2005, 12s., www.hoganas.com. 18. Andersson O.: Iron powder in electrical machines, possibilities and limitations, praca prezentowana na World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC 2001, New Orlean, USA, 2001, 10s., www.hoganas.com. 19. Pennander L.-O., Jack A.G.: Soft magnetic iron powder materials. AC properties and their applications in electrical machines, praca prezentowana na International Congress and Exhibition EURO PM2000, Valencia, Spain, 2000, 7s., www.hoganas.com. 20. Ślusarek B., Przybylski M., The influence of kind of powder on physical properties of soft magnetic composites, praca prezentowana na International Powder Metallurgy Congress and Exhibition EURO PM 2009, Copenhagen, Denemark, 2009. 21. Nowosielski R., Wysłocki J.J., Wnuk I., Gramatyka P.: Nanocrystalline soft magnetic cores. Journal of Materials Processing Technology 2006, vol. 175, p. 324-329. 22. Hultman L.O., Zhou Y.: Soft magnetic composites properties and applications, praca prezentowana na World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials PM2TEC 2002, Orlando, USA, 2002, 13 s., www.hoganas.com. 23. Ślusarek B.: Dielektromagnes NdFeB, opis patentowy PL 195336 B1, 2007. 24. Ślusarek B.: Dielektromagnes prasowany, opis patentowy PL 197344 B1, 2008. 25. Ślusarek B.: Kordecki A., Zastosowanie domieszkowanych dielektromagnesów NdFeB w silnikach prądu stałego, Studia i Materiały, 2000, vol. 20, s. 192-197. 26. Ślusarek B., Dudzikowski I.: Application of permanent magnets made from NdFeB powder and from mixtures of powders in DC motors, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, vol. 239, p. 597-599. 27. Dobrzański L.A., Drak M.: Properties of composite materials with polymer matrix reinforces with Nd-Fe-B hard magnetic particles. Journal of Processing Technology 2006, vol. 175, p. 149-156.

40 M. Najgebauer, J. Szczygłowski 28. Broszura 2009 nr 1, Somaloy Technology. Compact, light and cost-efficient solutions, Höganäs AB, Sweden, 2009, www.hoganas.com. 29. Andersson O., Hofecker P., Advances in soft magnetic composites - materials and applications, praca prezentowana na The International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials PowderMet2009, Las Vegas, USA, 2009, 12 s, www.hoganas.com. 30. Hultman L.O., Andersson O., Advances in SMC technology materials and applications, praca prezentowana na International Congress & Exhibition EURO PM2009, Copenhagen, Denmark, 2009, 6s., www.hoganas.com. 31. Petkovska L., Cvetkovski G., Soft magnetic composite core a new prospective for small AC motors design, praca prezentowana na EuroCon 2009, Saint Petersburg, Russia, 2009, www.docstoc.com. Wpłynęło do Redakcji dnia 25 października 2011 r. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Marian Pasko Dr inż. Mariusz NAJGEBAUER Dr hab. inż. Jan SZCZYGŁOWSKI, prof. PCZ Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny Instytut Elektroenergetyki Al. Armii Krajowej 17; 42-200 CZĘSTOCHOWA tel.: (034) 3250806; e-mail: najgebauer@el.pcz.czest.pl tel.: (034) 3250806ł e-mail: jszczyg@el.pcz.czest.pl