wpływ temperatury pracy na właściwości magnetyczne ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 75/2006 171Tomasz JantaPolitechnika Wrocławska, WrocławWPŁYW TEMPERATURY PRACY NA WŁAŚCIWOŚCIMAGNETYCZNE DIELEKTROMAGNETYKÓWINFLUENCE OF WORKING TEMPERATURE ON MAGNETIC PROPERTIES OFDIELECTROMAGNETICSAbstract: Magnetic powder composites find ever-wider use as active magnetic materials for magnetic cores ofelectric devices. Special interest is focused on dielectromagnetics. They are powder composites made fromsoft magnetic powder with an admixture of, dielectric in the form of resins, which both bind and isolate thesoft magnetic particles.The properties of manufactured dielectromagnetics and their constancy over time is one of the main factors,which determine the use of these materials. When the factors are examined and understood, it will becomepossible to design magnetic cores in such a way that the predictable changes in their properties will not disqualifythe electric devices in the course of their service.In this paper changes in the magnetic properties of dielectromagnetics caused by working temperature are described.The magnetic properties of dielectromagnetics of the specimens were tested after they were stored oneyear in ambient conditions at a constant temperature of 100 o C and (comparative series) at a constant temperatureof 21 o C and a constant humidity of 50%.The research has shown that the effect of working temperature on the magnetic properties of the tested dielectromagneticsis small and profitable.This is a proof of the high quality of the soft magnetic powder used whose properties remain stable over temperature.1. WstępMagnetyczne kompozyty proszkowe nabierająszczególnego znaczenia jako materiały magnetycznedo wykonywania magnetowodów urządzeńelektrycznych. W zależności od wymagańmogą być stosowane różne, z punktu widzeniawłaściwości magnetycznych i mechanicznych,rodzaje kompozytów proszkowych (np. spieki,magnetodielektryki, dielektromagnetyki) [1].Najwięcej zastosowań znajdują magnetyczniemiękkie kompozyty proszkowe typu dielektromagnetyk[1, 2, 3]. W porównaniu do spiekówdielektromagnetyki charakteryzują się mniejsząstratnością, zwłaszcza od prądów wirowych.Wynika to bezpośrednio ze zwiększenia rezystywnościmateriału w wyniku izolowania poszczególnychcząstek żelaza przez dielektryk.W Instytucie Maszyn, Napędów i PomiarówElektrycznych Politechniki Wrocławskiej odwielu lat prowadzone są badania magnetycznychkompozytów proszkowych, których podstawowymskładnikiem jest magnetyczniemiękki proszek żelaza.Istotnym w zastosowaniu tych materiałów,oprócz właściwości po wyprodukowaniu jestich stałość w czasie, a także niewrażliwość nawpływ zmiennych warunków pracy (np. tempe-ratury, wilgotności). Zjawisko to jest trudne dojednoznacznego zbadania ze względu namnogość czynników je obejmujących. Zmianyzależą od zastosowanej technologii, rodzajuproszku magnetycznie miękkiego, ilościi rodzaju użytego dielektryku, ilości i rodzajuewentualnych domieszek i w końcu, od czynnikanarażającego. Wpływ ten może znaleźćswoje odzwierciedlenie w zmianach różnychwłaściwości, takich jak magnetyczne, elektryczneczy też mechaniczne.Celem prezentowanych badań jest określeniewpływu temperatury pracy na podstawowe właściwościmagnetyczne dielektromagnetyków.Badania obejmują dielektromagnetyki wykonanez magnetycznie miękkiego proszku żelazaASC 100.29 z dodatkiem dielektryku w postaciżywicy epoksydowej Epidian 101.Bezpośrednim powodem przeprowadzanychbadań były sygnały użytkowników urządzeńz magnetowodami z kompozytów proszkowycho problemach eksploatacyjnych związanychnajprawdopodobniej z pogorszeniem właściwościmagnetycznych kompozytów w wynikuzjawisk starzeniowych.

172Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 75/2006Poznanie wpływu temperatury pracy na właściwościdielektromagnetyków pozwoli wprowadzićodpowiednią korektę na etapie projektowaniamagnetowodów tak, aby zmiany tychwłaściwości nie dyskwalifikowały urządzeń wtrakcie ich eksploatacji.Praca jest kontynuacją wcześniejszych badań[4] związanych z wpływem czasu na właściwościmagnetyczne dielektromagnetyków.2. Przygotowanie próbek i badaniaDielektromagnetyki do badań wykonano wdwóch seriach z jednego typu proszku magnetyczniemiękkiego (proszek ASC 100.29) orozmiarach cząstek proszku żelaza zawartych wprzedziale 71÷250 µm oraz dielektryku w postaciżywicy epoksydowej (Epidian 101) w ilości0,1% oraz 0,2% wagowo.Z przygotowanych mieszanek wyprasowanotoroidy o wymiarach φ50xφ60x5 mm. Zastosowanociśnienie prasowania o wartości 800 MPa;wypraski utwardzano w piecu typuKBC G65/250 w temperaturze optymalnej dlatego rodzaju kompozytu wynoszącej 200 o Cprzez 1 godzinę [5, 6]. Wykonano po 10 sztuktoroidów w każdej z serii próbek; zmierzonowłaściwości fizyczne i elektryczne w tym rezystywność.Obydwie serie próbek podzielono na dwie części.Jedną część przechowywano w stałej temperaturzeotoczenia 21 o C oraz stałej wilgotnościwynoszącej 55%, natomiast druga znajdowałasię w komorze sterowanego elektroniczniepieca grzewczego w stałej temperaturze wynoszącej100 o C.Po upływie 1 roku zmierzono krzywe pierwotnegomagnesowania oraz pętle histerezy wszystkichdielektromagnetyków.Właściwości magnetyczne zmierzono za pomocąkomputerowego systemu pomiarowegodo badania właściwości magnetycznych kompozytówproszkowych oraz blach elektrotechnicznychMAG-RRJ-1.1. System ten pozwalana pomiar właściwości magnetycznych z błędemnie większym niż 1%,.Schemat blokowy zastosowanego komputerowegosystemu pomiarowego przedstawiono narysunku 1.Całym procesem pomiarowym steruje komputerw trybie „on line”.WzmacniaczmocyRi(t)Z mZ p e(t)Badanyobiektw S/HMultiplekserKOMPUTERU(t)GeneratorprzebieguWagaDrukarkaS/H przetwornik próbkująco - całkującyA/C kwantowanie sygnału – przetwornikprzełączany przez multiplekserPloterwKlawiaturaS/HA / CRys. 1. Schemat blokowy komputerowego systemupomiarowego właściwości magnetycznychNamagnesowanie badanej próbki realizowanejest za pomocą bloku generacji i wzmacniaczamocy. W procesie pomiarowym sygnałyz obiektu badanego podawane są na wzmacniaczewejściowe, dopasowujące je do poziomówwymaganych przez układy cyfrowe. Następniesygnały te są próbkowane w przetwornikachpróbkująco-pamiętających (S/H) i kwantowanew przetworniku A/C przełączanym na kolejnekanały pomiarowe przez multiplekser. W komputerzeprzebiegi poddawane są odpowiednimprocedurom obliczeniowym i w tej postaci sądostępne dla operatora.3. Wyniki badańRezystywność dielektromagnetyków orazwpływ temperatury pracy na indukcję przy natężeniupola magnetycznego 5 000 A·m -1 oraz10 000 A·m -1 przedstawiono w tabeli 1, a nanatężenie koercji, indukcję remanentu orazmaksymalną przenikalność magnetyczną w tabeli2.Monitor

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 75/2006 173Tabela 1Wpływ temperatury pracy na rezystywnośći wartości indukcji1.81.6ASC 100.29f = 50 HzIlośćżywicyRezystywnośćIndukcja B [T] dla1.4d ρ H=5000, A·m -1 H=10 000, A·m -11.2Z 0,1% µΩ·m T=21 o C T=100 o C T=21 o C T=100 o C0,1 5,63 1.305 1.311 1.520 1.5300,2 11,78 1.224 1.220 1.459 1.465Indukcja magnetyczna B [T]1.00.80.6Z 0,2Rezystywność dielektromagnetyków zmierzonotylko raz, przed badaniami, ponieważ po wyprasowaniui zmierzeniu parametrów mechanicznychi rezystywności próbki uzwojono dopomiaru właściwości magnetycznych. Abyuniknąć błędów przypadkowych wynikającychnp. ze zmiany rozkładu geometrycznego uzwojeńpomiarowych lub obliczenia ilości zwojów,uzwojeń tych nie zmieniano w trakcie badań,.Rezystywność dielektromagnetyków o zawartości0,2% żywicy, zgodnie z oczekiwaniami, jestprawie dwukrotnie wyższa od tych z 0,1% zawartościążywicy.Wpływ temperatury pracy na B r , H c i µ maxIlośćżywicydIndukcja remanentuB r [T]NatężeniekoercjiH c [A·m -1 ]Tabela 2Przenikalnośćmaksymalnawzględnaµ max [-]% T=21 o C T=100 o C T=21 o C T=100 o C T=21 o C T=100 o C0,1 0.313 0.308 379 372 401.3 404.30,2 0.248 0.239 374 377 333.5 321.5Na rysunku 2 przedstawiono wykreślnie przebiegiśrednich krzywych pierwotnego magnesowaniakażdej z serii dielektromagnetyków, ana rysunku 3 zmiany wartości indukcji magnetycznejprzy natężeniu pola magnetycznegoH=10 000 [A·m -1 ].0.40.2Z 0,1; T=21CZ 0,1; T=100CZ 0,2; T=21CZ 0,2; T=100C0.00 2000 4000 6000 8000 10000Natężenie pola magnetycznego H [A·m -1 ]Rys. 2. Charakterystyki magnesowania badanychdielektromagnetykówIndukcja magnetyczna B (H=10 000 A·m -1 ) [T]1.551.501.451.401.351.300.1Udział procentowy żywicy [%]0.2ASC 100.29f = 50 HzT=21CT=100CRys. 3. Zmiany wartości indukcji dlaH=10 000 A·m -1

174Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 75/2006Stwierdzono bardzo nieznaczny wpływ temperaturypracy na przebieg charakterystyk magnesowania.Przy zawartości 0,1% indukcje dielektromagnetykówpo przebywaniu w temperaturze100 o C są nieco wyższe, a przy 0,2%nieco niższe. Wartości indukcji nasycenia są dlaobu wartości żywicy wyższe (Tab. 1, rys. 2 i 3),jednak wzrost nie przekracza wartości 1%.Na rysunku 4 przedstawiono przebiegi przenikalnościmagnetycznej, a zmiany jej wartościmaksymalnych na rysunku 5.Przenikalność magnetyczna, µ [-]45040035030025020015010050Z 0,1Z 0,2Z 0,1; T=21CZ 0,1; T=100CZ 0,2; T=21CZ 0,2; T=100CASC 100.29f = 50 Hznatomiast tych o zawartości 0,2% żywicy nieznacznierośnie - prawie o 1% (Tab. 2, rys. 6i rys. 7).Maksymalna przenikalność magnetyczn µ max [-]410390370350330310290270250ASC 100.29f = 50 Hz0.10.2Udział procentowy żywicy [%]T=21CT=100CRys. 5. Zmiany maksymalnej przenikalnościmagnetycznej00 2000 4000 6000 8000 10000Natężenie pola magnetycznego H [A·m -1 ]0.32ASC 100.29f = 50 HzRys. 4. Przebiegi przenikalności magnetycznychwzględnychWartości przenikalności magnetycznych dielektromagnetykówpo obróbce w temperaturze100 o C są prawie w całym zakresie nieco niższe,ale zmiany nie przekraczają prawie w całymzakresie 3%. Przenikalność magnetyczna maksymalnapróbek o zawartości 0,2% żywicy jestprawie o 4% niższa, jednak dla 0,1% o 1%wyższa (Tab. 2, rys. 4 i rys. 5).Zmiany wartości indukcji remanentu oraz natężeniakoercji przedstawiono graficznie na rysunkach6 i 7. Indukcja remanentu wszystkichdielektromagnetyków po przebywaniu w temperaturze100 o C maleje nawet o prawie 4%(0,2% dielektryku). Natężenie koercji próbek o0,1% zawartości żywicy maleje o niecałe 2%,Indukcja remamentu , B r [T]0.300.28T=21CT=100C0.260.240.220.200.10.2Udział procentowy żywicy [%]Rys. 6. Zmiany indukcji remanentu

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 75/2006 175Natężenie koercji , Η c [A·m -1 ]3803753703653603553500.1ASC 100.29f = 50 HzUdział procentowy żywicy [%]Rys. 7. Zmiany natężenia koercji4. Podsumowanie0.2T=21CT=100CWyniki przeprowadzonych badań pozwalająstwierdzić, że podwyższona temperatura pracynie ma widocznego, negatywnego wpływu nawłaściwości magnetyczne dielektromagnetyków.Uzasadnić można to tym, że podwyższonątemperaturę pracy potraktować można jako dodatkową,długotrwałą obróbkę cieplną korzystniewpływającą na właściwości magnetycznedielektromagnetyków. Prowadzić może ona dokorzystnego rozrostu ziaren nie powodującuszkodzeń w izolującej warstwie dielektrycznej.Nie potwierdziły się tym samym przypuszczenia,że zaobserwowane w praktyce pogorszenieparametrów urządzeń elektrycznych wynikło zniekorzystnych zmian właściwości obwodówmagnetycznych wykonanych z dielektromagnetykówpowstałych w wyniku podwyższonejtemperatury pracy. Zmiany te mogą być rezultatemnp. niekontrolowanych i bardzo dużychprzemagnesowań tych obwodów w stanachprzejściowych powstających np. podczas awarii.Zagadnienia te wymagają jednak odrębnychbadań.5. Literatura[1]. Janta T., Kordecki A., Węgliński B., PM SoftMagnetic Composites versus Electrical Sheets.EURO PM2000, Workshop on ‘Production and Applicationsof Soft Magnetic Materials for ElectricMotors, Munich, Germany, 2000, Proceedingsp. 15÷29,[2]. Antal L., Janta T., Własności ruchowe silnikówindukcyjnych małej mocy z wirnikiem z materiałówkompozytowych. Zeszyty Problemowe MaszynyElektryczne nr 66, 2003, wyd. BOBRME Komel,Katowice, s. 53÷58,[3]. Jack A. G., Experience with the Use of SoftMagnetic Composites in Electrical Machines. InternationalConference on Electrical Machines, 1998,Istanbul, Turkey, p. 1441-1448,[4]. Janta T., Wpływ zjawisk starzeniowych na właściwościmagnetyczne kompozytów proszkowychtypu dielektromagnetyk. Kompozyty, Composities,PTMK, wyd. Politechnika Częstochowska, Rocznik 4,Nr 12, 2004 r., s. 384÷388,[5]. Janta T., Weglinski B., Wpływ obróbki cieplnejna stratność dielektromagnetyków. Kompozyty,Composities, PTMK, Rocznik 2, Nr 3, 2002 r. wyd.Politechnika Częstochowska, s. 91÷96,[6]. Janta T., Weglinski B., Wpływ rodzaju dielektrykuna właściwości dielektromagnetyków. Kompozyty,Composities, PTMK, wyd. PolitechnikaCzęstochowska, s. 165÷171.AutorPolitechnika Wrocławska, Instytut Maszyn,Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego19, 50-372 Wrocław,tel. (071) 320 33 75,e-mail: tomasz.janta@pwr.wroc.pl.