Materiały magnetycznie miękkie i ich zastosowanie w

Materiały magnetycznie
miękkie i ich zastosowanie
w zmiennych polach
magnetycznych
Jacek Mostowicz
Plan seminarium
y Wstęp
y Materiały magnetycznie miękkie
y Podstawowe pojęcia
y Prądy wirowe
y Lepkość magnetyczna
y Opór właściwy
y Zjawisko naskórkowości
y Przykłady materiałów
y Zastosowania
y Transformatory
y MiG
Wstęp
Materiały magnetycznie
miękkie
y Grupa materiałów wykazująca właściwości
ferromagnetyczne. Dzięki zmianom pola magnetycznego
można łatwo „namagnesować” lub „rozmagnesować”
materiał.
y Pętla histerezy jest stosunkowo wąska o niskiej wartości
koercji.
Materiały magnetycznie
miękkie
y Hc – koercja magnetyczna, wartość zewnętrznego pola
magnetycznego jaką trzeba przyłożyć do ferromagnetyka,
aby zmniejszyć do zera jego namagnesowanie
y Br – remanencja
(namagnesowanie szczątkowe),
wartość indukcji magnetycznej
pozostała po usunięciu
zewnętrznego pola
magnetycznego
Materiały magnetycznie
miękkie
y Pożądane właściwości:
y Duża przenikalność magnetyczna, w celu uzyskania dużej
wartości indukcji przy użyciu małego prądu
y Jak najmniejsze straty (pole powierzchni histerezy) w
przetwarzaniu energii (transformatory)
y Duży opór właściwy w celu zmniejszenia start mocy
wywołanych przez prądy wirowe
Podstawowe pojęcia
Prądy wirowe
y Prąd indukujący się w metalach (przewodnikach)
znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym lub
poruszających się względem źródła stałego pola
magnetycznego.
y Wywołane pole magnetyczne przeciwdziała
zewnętrznemu polu.
y Zewnętrzne pole jest ekranowane, nie ma pola
magnetycznego wewnątrz materiału
Lepkość magnetyczna
y Jest to opóźnienie w przemagnesowaniu materiału. Obrót
momentów magnetycznych w zmieniającym się
zewnętrznym polu magnetycznym nie następuje od razu.
Opór właściwy
Z definicji:
ρ=
1
σ
gdzie σ to przewodność właściwa. Występująca np. w
różniczkowym prawie Ohma.
Zjawisko naskórkowości
Wraz ze wzrostem częstotliwości zmian pola
elektromagnetycznego zmniejsza się głębokość jego
wnikania do środka materiału.
Dlatego też prąd o wysokiej częstotliwości płynie tylko
powierzchniowej warstwie materiału.
Zjawisko naskórkowości
Głębokość wnikania:
1
d=
πfσμ
f
μ
σ
- częstotliwość
-przenikalność magnetyczna
-przewodność właściwa
Przykładowe materiały
Przykładowe materiały
y Żelazo (Fe):
Bnasycenia = 2,15T
BR = 1,36T
H C = 0,04 A
μ pocz
cm
= 25000
μ max = 275000
Przykładowe materiały
y Kobalt (Co):
Bnasycenia = 1,78T
BR = 0,49T
HC = 8 A
μ pocz
cm
= 70
μ max = 245
Przykładowe materiały
y Nikiel (Ni):
Bnasycenia = 0,6T
BR = 0,395T
HC = 3 A
μ pocz
cm
= 300
μ max = 2400
Przykładowe materiały
y Stopy żelaza: Al,Si,Co,Ni,Cr,V,RE
Zastosowania zmiennoprądowe:
Transformatory
Stale krzemowe (do 4,4% Si)
bardzo małe
Hc
do pracy
przy 50Hz
Przykładowe materiały
y Stopy żelaza: Al,Si,Co,Ni,Cr,V,RE
Zastosowania stałoprądowe:
Elementy rdzeni elektromagnesów
permalloy (Fe-Ni, 30% Ni)
akcifer
permendur (Fe-Co, 26% Co)
nawiększe
namagnesowanie
nasycenia
Bnasycenia = 2,5T
Przykładowe materiały
y Stopy niklu:
Ni-Cu (60% Cu)
y Stopy Pt-Pd
(bardzo drogi materiał)
y Chrom (Cr), oraz tlenki Cr
Przykładowe materiały
y Ferryty spinelowe:
2+
3+
2
M OFe O3
M=Fe, Ni, Cu, Mg
Najbardziej znane:
ƒ Magnetyt
ƒ Hematyt
ƒ Maghemit
FeOFe2O3 = Fe3O4
−α
3
Fe2O
Fe2O3−γ
Przykładowe materiały
y Ferryty heksagonalne:
AB12O19
Dwuwartościowe:
A=Ba, Pb, Sr
Trójwartościowe:
B=Al, Ga, Fe, Cr
Ferryt barowy:
BaFe12O19
rdzenie cewek
pracujących w
wysokich
częstotliwościach
Zastosowania
Transformatory
y Urządzenie, w którym następuje przekazanie energii
elektrycznej z jednego obwodu do drugiego za
pośrednictwem pola elektromagnetycznego.
Transformatory
Transformatory
y W transformatorach występują straty mocy, które można
podzielić na histerezowe i wiroprądowe.
PTOTAL = PH + PW
Transformatory
y Zminimalizowanie strat jest ważne np. przy projektowaniu
transformatorów, w których następuje wielokrotne
przemagnesowanie rdzenia.
y Straty od efektu wiroprądowego:
2
⎛ f ⎞ 2
PW = σ ⎜
⎟ Bm
⎝ 100 ⎠
Bm - wartość maksymalna indukcji w rdzeniu
σ
- współczynnik materiałowy
Transformatory
y Straty od efektu histerezowego:
PH = σ H fB
1, 6
m
Bm - wartość maksymalna indukcji w rdzeniu
σ H - współczynnik materiałowy
MiG
y Materiały magnetycznie miękkie były wykorzystywane w
starych głowicach odczytująco-zapisujących MiG (Metal
in Gap) w dyskach twardych.
y Obecnie wykorzystuje się je w głowicach
cienkowarstwowych oraz GMR.