Magnetické vlastnosti práškových
kompozitných materiálov
Obsah
Z histórie magnetických práškových materiálov
Východiská výskumu
Straty pri premagnetovaní
v striedavých magnetických poliach
Magnetizačné procesy kompozitných materiálov
•Osobitosti premagnetovania v striedavých magnetických
poliach
•Koercivita a straty kompozitných materiálov v striedavých
magnetických poliach
Záver
Vznik pojmov magneticky mäkký
a magneticky tvrdý
špendlík
magneticky mäkký
ihla
magneticky tvrdý
Magneticky mäkké materiály koercivita Hc do 1 kA/m
Magneticky tvrdé materiály koercivita Hc nad 1 kA/m
Koercivita HC
Straty P
Permeabilita
Koercivita HC
Energetický súčin B.H
Magneticky tvrdé materiály
Magneticky mäkké materiály


B  H
EI jadro transformátora
 
   B.dS
Rez motorom alebo generátorom.
Magneticky mäkké materiály
Vírivé prúdy
Z histórie magnetických práškových materiálov
20.- te roky 20. storočia použitie z práškov na
báze karbonylového železa:
•v oznamovacej technike na konštrukciu
oddeľovacích transformátorov vďaka vysokej
permeabilite
•jadrá a tienenie cievok pre obvody prijímacej
a vysielacej techniky
•cievky na kompenzáciu kapacity dlhých
vodičov – Pupinačné (Pupinizačné) cievky.
Mihajlo Idvorski Pupin,
PhD., LL.D. (4.10.185812.3.1935)
Z histórie magnetických práškových materiálov
70.- te roky 20. storočia – ferity
výhoda - veľký elektrický odpor
použitie do vysokých frekvencií
nevýhoda – existencia najmenej dvoch
podmriežok – nízka hodnota BS
Z histórie magnetických práškových materiálov
prelom 20. a 21. storočia – renesancia
vo výskume a vývoji práškových
magnetických materiálov
Stimuly rozvoja:
nové technológie prípravy a výroby
práškových materiálov
impulzná výkonová elektrotechnika
Východiská výskumu
Nanokryštalicá magneticky mäkká zliatina FINEMET- Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9
Y. Yoshizawa, S. Oguma. And K. Yamauchi J. Appl. Phys. 64 (1988) 6044
Y. Yoshizawa and K. Yamauchi, Mater. Sci. Eng. A 133 (1991) 176
Model náhodnej anizotropie
G. Herzer: IEEE Trans. Magn. 26 (1990) 1397
R. Alben, J. J. Becker and M. C. Chi, J. Appl. Phys., 49 (1978)16A. 53
 L ex 
N 

 D 
3
 A
L ex   
 K1 
1
2
Východiská výskumu
K
K D
HC  pc
 pc
Js
J s A3
4
1
6
K1
HC  pc
Js
HC  pc
A K1 
Js D
1
2
Straty pri premagnetovaní
v striedavých magnetických poliach
P
P   C0  C1 f  C2 f 1/ 2
f
Straty v závislosti od frekvencie neorientovanej oceli FeSi
Straty pri premagnetovaní
v striedavých magnetických poliach




P  PH  PV  PA
T
w   HdB   H
0
Bmax - maximálna hodnota mag. indukcie
K h x - sú parametre závislé na materiáli
G V0 a magnetizačných podmienkach,
dB
dt
dt
exponent x býva v medziach 1,6–3,2.
S - priečny rez vzorky
d - hrúbka
 - merný elektrický odpor

x
PH  K h Bmax
f

2
KC Bmax
d 2f 2
PV 


PA  8,8  G S V0 Bmax f 
3/2
Kompozitné materiály
zrnká prášku:
•čisté prvky Fe, Co, Ni a ich zliatiny (s prímesami
Ti, V, Cr, Ni, Cu, Nb....)
•zliatiny typu FeSi
•permalloy a deriváty
•amorfné a nanokryštalické zliatiny
spojivá:
•plasty
•živice
•organické polyméry
•oxidy kovov (ferity)
technológia:
•teplota
•tlak
•doba kompaktovania
•spekanie a tepelné
spracovanie
Kompozitné materiály
prstence
vonkajší priemer – 25 mm
vnútorný priemer – 15 mm
výška – 3-4 mm
Kvazistatické premagnetovnie
Hystrerézna slučka materiálu Finemet získaná pri kvazistatickom
premagnetovaní
Osobitosti premagnetovania v
striedavých magnetických poliach
Nárast Hmax má za
dôsledok aj na
dH
nárast
dt
dB
následne aj na
dt
v konečnom
dôsledku vzrastie aj
koercivita a straty
Hystrerézna slučka materiálu Somaloy, (70 kHz,
0,5T)
Osobitosti premagnetovania v striedavých
magnetických poliach
snímacie
vinutie
magnetizačný
toroid
N1
r1
N2
r2
   B dS
h
Magnetický indukčný tok v prstencovej vzorke
Hopkinsov
zákon
Um
1l
  , Rm 
Rm
S
Ohmov zákon
U
1l
I  ,R 
R
S
Hystrerézne
slučky materiálu
Somaloy (1 kHz)
Osobitosti premagnetovania v striedavých
magnetických poliach
Hystrerézne
slučky materiálu
Somaloy (1 kHz)
Osobitosti premagnetovania v striedavých
magnetických poliach
Somaloy, 1kHz, 0,9 T
Osobitosti premagnetovania v striedavých
magnetických poliach
Somaloy, 1 kHz, 1,2 T
Osobitosti premagnetovania v striedavých
magnetických poliach
Somaloy, 70 kHz, 0,5 T
Príprava vzoriek
• SMC vzorky pripravené konvenčnou metalurgiou
• tvar - prstenec (pre magnetické merania) a valec (pre
meranie merného elektrického odporu)
Príprava vzoriek
Vzorka A
90 obj. % čisté práškovéželezo ASC 100.29, Höganäs AB
Sweden (distribúcia veľkosti častíc: 50 hm. % častice majú
priemer menší ako 75 m a 0.9 hm. % viac ako 80 m)
10 obj. % fenol-formaldehydová živica (Bakelit ATM).
Častice podľa výrobcu mleté 3 x 30 s v nožovom mlyne
vykazujú veľkosti pod 100 m)
Lisované jednoosovým tlakom a spekané pri teplote
165ºC 60 min
Príprava vzoriek
Vzorka S
referenčný materiál, prášok Somaloy® 700 (pokrytý
izolačnou vrstvou) od fy Höganäs AB, Sweden pripravený
technológiou vyvinutou výrobcom (kompaktácia pri 800 MPa
a tepelné spracovanie pri 530 °C 30 min. na vzduchu).
Príprava vzoriek
Pohľad na lomovú plochu
vzorky A ukazujúci časticu
Fe pokrytú živiciu,
pozorované pomocou SEM.
Mikroštruktúra vzorky A
pozorované pomocou
optického mikroskopu v
polarizovanom svetle.
Experimentalne metódy
Hysterézne slučky – maximálna indukcia 0.05 T, 0.1 T, 0.2 T
1. Hysterézigraf na báze fluxmetra
2. Hysterézigraf na báze fluxmetra pre meranie v striedavých poliach s
frekvenciou 0.4 Hz-50 Hz
3. MATS-2010M, hysterézigraf pre meranie v striedavých poliach s
frekvenciou 50 Hz-1 kHz
4. MATS-2010SA, hysterézigraf pre meranie v striedavých poliach s
frekvenciou 1 kHz-150 kHz
5. Meranie špecifického elektrického odporu –metóda van der Pauwa
1
2
3
4
Straty
Celkové straty Pt (v J/m3)
Pt  Ph  Pe  Pa
Vynásobením faktorom
f

(f - frekvenia,  – hustota)
f
 Pe  Pa

veličina P’t, (jednotka W/kg)
Pt  Ph
Ph – hysterézne straty
Ph  K h Bmx
Kh – materiálová konštanta
x - materiálová konštanta
Bm – maximálna indukcia
Straty
Pe’ – straty vírivými prúdmi
2

 d Bm f 
P 
e
 R 
d – efektívny rozmer
R – špecifický odpor
b - geometrický koeficient
w – šírka, h – výška
obdĺžnika
6

h
w 

1  0.633   tanh1.58 
w
h

Pa’ – anomálne straty
Pa  8.8 G SV0 Bmax f 
S - prierez
G a V0 parametre závisia na
materiáli a magnetizácii
3/2
Statické hysterézne slučky – hysterézne straty
Hint – vnútorné magnetické pole
H – vonkajšie magnetické pole
N – demagnetizačný faktor
M - magnetizácia
H int  H  N M
Hysterézne slučky v striedavých magnetických poliach
Vrcholová relatívna permeabilita
Vrcholová relatívna permeabilita p ako funkcia frekvencie f vzorky
A, a S stanovená z hysteréznej slučky meranej pri maximálnej
indukcii Bm = 0.05 T vo frekvenčnom rozsahu 1 kHz-150 kHz.
Celkové straty
Celkové straty P’t ako funkcia frekvencie f vzorky A, and S meranej pri
maximálnej indukcii Bm = 0.05 T, 0.1 T a 0.2 T vo frekvenčnom rozsahu
0.4 Hz -150 kHz.
Celkové straty
Príspevok anomálnych strát
Celkové straty P’t ako funkcia frekvencie f vzorky A, and S meranej pri
maximálnej indukcii Bm = 0.05 T, 0.1 T a 0.2 T vo frekvenčnom rozsahu 0 Hz 50 Hz.
Príspevok anomálnych strát Pa~f1/2.
Experimentálne body sledujú lineárnu závislosť, príspevok anomálnych
strát je zanedbateľný.
Celkové straty
Príspevok strát vírivými prúdmi
vzorka
A
S
podiel Fe (%)
90.0
98.7
vonkajší priemer (mm)
24.00
24.10
vnútorný priemer (mm)
17.87
17.71
výška (mm)
2.75
2.808
hmotnosť (g)
3.439
3.870
hustota (g/cm3)
5.22
6.57
tlak pri komnpaktovaní (MPa)
600
800
teplota pri kompaktovaní (°C)
165
530
porozita (%)
13.6
12.4
špecifický odpor kompozitu (·m)
505
4.579
špecifický odpor železa (·m)
0.098
0.098
hystererézne straty (J/m3) pri 0.05 T
107
67
hystererézne straty(J/m3) pri 0.1 T
31
17
hystererézne straty(J/m3) pri 0.2 T
7
4
Záver
Vzorka A – kompozitný materiál na báze práškového železa (90 vol. %) a
fenol-formaldehydovej živice (10 obj. %) použitej ako izolátor
Vzorka S - referenčná vzorka Somaloy® 700
•
hysterézne straty sú dominantné.
•
príspevok anomálnych strát je zanedbateľný
•
frekvenčná závislosť strát stúpa pomalšie pre vzorku A než pre vzorku S
– menší príspevok strát vírivými prúdmi.
- vzorka A vírivé prúdy vo vnútri častíc
- vzorka S vírivé prúdy vo vnútri častíc a medzi časticami