Wiesław Wilczyński - Wpływ technologii na własciwosci magnetyczne rdzeni maszyn elektrycznych.pdf - Materiały magnetyczne - goooooosiaq

Wiesław WILCZYŃSKI

WPŁYW TECHNOLOGII NA WŁAŚCIWOŚCI

MAGNETYCZNE RDZENI MASZYN

ELEKTRYCZNYCH

Pracę dedykuję pamięci prof. Zbigniewa Matheisela

STRESZCZENIE W pracy przedstawiono rozważania nad

wpływem niektórych operacji technologicznych podczas wytwarzania

rdzeni maszyn elektrycznych na ich właściwości magnetyczne. Badania

wykonano na wybranych gatunkach orientowanych i nieorientowanych

blach elektrotechnicznych. Zbadano wpływ wykrawania mechanicznego

i cięcia za pomocą lasera oraz różnych sposobów pakietowania na straty

i charakterystyki magnesowania. Wpływ wykrawania i cięcia badano za

pomocą znormalizowanej metody, natomiast wpływ pakietowania, na

gotowych rdzeniach magnetycznych stojanów i wirników o różnych

wielkościach i kształtach, za pomocą specjalnej opatentowanej metody

różnicowej. Szczególnie interesujące są wyniki badań wpływu wycinania

laserem. Są to jedne z pierwszych wyników na ten temat na świecie. Inne

osiągnięcia autora, to określenie metodą analityczną, szerokości strefy

naprężonej wzdłuż linii wykrawania i cięcia oraz wykazanie wpływu

różnych sposobów pakietowania na właściwości magnetyczne poprzez

badania gotowych pakietów stojanów i wirników.

Zaproponowano różne możliwości regeneracji utraconych właści-

wości magnetycznych za pomocą różnych wyżarzeń, zarówno całych

pakietów jak i tylko tych obszarów, które zostały w procesie wytwarzania

magnetowodu najbardziej naprężone (strefy zębowo - żłobkowej).

Wyniki pracy pozwolą na stosowanie, po uwzględnieniu ekono-

micznych aspektów, tylko takich operacji, które zapewnią wykonanie

rdzenia magnetycznego powodujące możliwie jak najmniejsze pogorsze-

nie właściwości magnetycznych.

Stwierdzono, że stosując odpowiednie technologie wytwarzania

magnetowodów, dbając jednocześnie o kulturę techniczną, można zmini-

malizować ich szkodliwy wpływ, a przez odpowiednio dobrany sposób

wyżarzania całkowicie lub częściowo usunąć. Wyniki pracy umożliwiają

ocenę wpływu technologii wytwarzania rdzeni magnetycznych na ich

rzeczywiste właściwości magnetyczne oraz możliwości regeneracji po-

przez odpowiednie wyżarzanie.

Dla taśm amorficznych i nanokrystalicznych, potwierdzono możli-

wość sterowania rzeczywistymi właściwościami magnetycznymi poprzez

ich wyżarzanie, co powinno zwiększyć zainteresowanie się nimi i ich

zastosowanie. Przedstawiono możliwości poprawiania właściwości mag-

netycznych taśm amorficznych i nanokrystalicznych za pomocą wyżarzania.

Wpływ technologii na właściwości magnetyczne rdzeni maszyn elektrycznych

1. WSTĘP

Materiały magnetyczne, ze względu na swoje właściwości dzielą się na

magnetycznie miękkie i twarde. Materiały magnetycznie miękkie to takie, które

magnesują się i rozmagnesowują w stosunkowo słabych polach magne-

tycznych. Natomiast materiały magnetycznie twarde, wymagają w procesie

magnesowania dużej energii zewnętrznego pola magnetycznego. Materiały

magnetycznie miękkie odznaczają się wąską pętlą histerezy o małej koercji,

twarde odwrotnie, szeroką pętlą i dużą koercją. W przeciwieństwie do miękkich,

materiały magnetycznie twarde po namagnesowaniu wykazują silniejsze lub

słabsze zewnętrzne pola magnetyczne, na które inne zewnętrzne pola wpływają

w znikomym stopniu. Wobec powyższego przyjmuje się, że materiały

magnetycznie miękkie to takie, które posiadają koercję J H C < 10 A/m , natomiast

twarde J H C >100 A/m. Materiały, których 10 A/m < J H C < 100 A/m uważa się za

tzw. półtwarde (semi – hard) [93, 94].

Materiały magnetycznie miękkie produkuje się na świecie w dużych

ilościach i o różnych właściwościach. Uważa się, że na rynku europejskim

istnieje możliwość zbycia każdego roku materiałów magnetycznie miękkich na

łączna sumę ok. 6,5 mld euro. Tylko w Europie każdego roku stosowane są

w wyrobach i urządzeniach o wartości 250 mld euro [62].

Wymagania stawiane materiałom magnetycznie miękkim wynikają

z przyszłego ich zastosowania. Różne wymagania stawia się materiałom

magnetycznym stosowanym w energetyce, w elektrotechnice czy elektronice.

W przypadku zastosowania dla potrzeb energetyki, decydują głównie

małe straty i duża indukcja magnetyczna. Obwody magnetyczne w energetyce

cechują się dużymi rozmiarami i masą (transformatory i generatory o dużych

mocach). Dlatego niezmiernie ważne jest aby straty na przemagnesowywanie

rdzeni były możliwie jak najmniejsze. Większa indukcja pozwala natomiast

zmniejszyć przekrój rdzenia a tym samym jego masę, lub przy tych samych

gabarytach zwiększyć moc urządzenia. Materiałami stosowanymi w energetyce

są głównie: niskostratne blachy prądnicowe, transformatorowe „konwencjonal-

ne” i o udoskonalonej teksturze (tzw. blachy superorientowane), o dużej indukcji

B 10 ≅ 1,95 T. Coraz większe zastosowanie znajdują taśmy amorficzne i nano-

krystaliczne na bazie żelaza i kobaltu [1 – 14, 22 - 26, 28 - 32, 105, 110, 117,

118, 128, 133].

Od materiałów magnetycznie miękkich stosowanych w elektrotechnice

z uwagi na mniejsze rozmiary rdzeni magnetycznych, ich większą różnorodność

W.WILCZYŃSKI

kształtu i wielkość (maszyny elektryczne, transformatory, dławiki itp.) wymaga

się także małych strat i dużej indukcji oraz niskiej ceny. Sprawa małych strat nie

jest tak priorytetowa jak w przypadku zastosowań w energetyce. Znaczącym

czynnikiem staje się cena, dlatego stosowane materiały cechują się większą

różnorodnością właściwości i ceny. Z tego względu największe zastosowanie

znalazły: blachy elektrotechniczne nieorientowane o małej i dużej zawartości

krzemu o bardziej zróżnicowanych stratach i cenie, a także orientowane, jak

również stopy żelaza z niklem i stopy mikrokrystaliczne. W elektronice, wyma-

ganiami, które stawia się, to małe straty, szczególnie w zakresie wysokich

częstotliwości, duża indukcja oraz duża przenikalność magnetyczna. Materia-

łami tymi są stopy żelaza z niklem i kobaltem, ferryty magnetycznie miękkie,

stopy amorficzne (na bazie Fe, Ni lub Co) oraz stopy nanokrystaliczne. Stopy

nanokrystaliczne ze względu na swoje właściwości i obniżającą się cenę

w coraz większym stopniu wypierać będą stopy permalojowe [10, 24, 25, 26,

29, 30, 105, 110, 128, 133].

Z powyższego widać, że większość wymagań, które stawia się materia-

łom magnetycznie miękkim dotyczy małych strat na jednostkę masy oraz dużej

indukcji. Spowodowało to, że prace badawczo – rozwojowe nad materiałami

magnetycznie miękkimi rozwijały się w dwóch kierunkach:

– udoskonalania technologii produkcji materiałów konwencjonalnych, takich

jak blachy elektrotechniczne, w celu poprawy właściwości magnetycz-

nych (obniżenia strat i wzrostu indukcji). Efektem tych prac było: wzrost

czystości stopów, odejście od walcowania na gorąco i walcowanie blach

na zimno na coraz mniejsze grubości, produkcja blach orientowanych wg

technologii Gossa, opracowanie technologii produkcji blach superoriento-

wanych w celu poprawy stopnia steksturowania oraz rozdrobnienie struk-

tury domenowej w blasze wskutek wprowadzenia powierzchniowych na-

prężeń mechanicznych za pomocą np. wiązki laserowej [16, 18, 19, 123,

124].

– opracowania nowych materiałów takich jak: stopy amorficzne, mikro-

krystaliczne i nanokrystaliczne. Efektem było powstanie rodziny materia-

łów o najmniejszych stratach nawet przy dużych częstotliwościach

i większej indukcji w porównaniu do ferrytów.

Obniżenie strat w rdzeniach magnetycznych stało się możliwe poprzez

opracowanie nowych technologii i gatunków materiałów magnetycznie mięk-

kich. Szacuje się bowiem, że na przełomie XX i XXI wieku ok. 5% energii

wytworzonej w Europie tracona jest w rdzeniach z materiałów magnetycznie

miękkich [62]. Materiały magnetycznie miękkie, stosowane w największych

Wpływ technologii na właściwości magnetyczne rdzeni maszyn elektrycznych

ilościach, ich technologia produkcji i podstawowe właściwości zostały przedsta-

wione szerzej w rozdziale 2.

Spośród wszystkich materiałów magnetycznie miękkich blachy elektro-

techniczne produkowane są na świecie w największych ilościach. W Europie

około 80 % wartości wyprodukowanych materiałów magnetycznie miękkich sta-

nowią blachy elektrotechniczne. Pozostałe 20 % stanowią stopy żelaza z niklem,

kobaltem, ferryty, stopy amorficzne i nanokrystaliczne oraz kompozyty z

proszków żelaza [62]. Najważniejsze parametry blach elektrotechnicznych to:

magnetyzacja, straty całkowite, straty histerezowe i wiroprądowe, przenikalność

magnetyczna, indukcja szczątkowa, koercja, anizotropia i magnetostrykcja.

Jednakże o jakości rdzeni magnetycznych maszyn elektrycznych decydują

przede wszystkim charakterystyki magnesowania i strat [15].

Blachy elektrotechniczne są podstawowym materiałem magnetycznie

czynnym stosowanym do produkcji magnetowodów maszyn elektrycznych, a ich

właściwości mają znaczący wpływ na jakość maszyn i ich koszt [15]. Wszystkie

gatunki blach anizotropowych, a także zdecydowana większość blach

izotropowych (z wyjątkiem blach bezkrzemowych i o bardzo małej zawartości

krzemu) dostarczane są po końcowej obróbce cieplnej, w stanie wolnym od

naprężeń wewnętrznych. Blachy od chwili opuszczenia huty są narażone na

pogarszanie się właściwości magnetycznych w kolejnych operacjach technolo-

gicznych wytwarzania rdzeni. Powstają wtedy naprężenia wywołane przez

uderzenia, zginanie i ściskanie w czasie transportu i składowania, przez nie-

uniknione deformacje struktury w czasie cięcia, wykrawania oraz ściskania przy

pakietowaniu. Straty histerezowe zwiększają się przede wszystkim w strefach

zdeformowanych, a więc w pobliżu wykrawanych krawędzi. Dotyczy to głównie

zębów o małych szerokościach. Na krawędziach cięcia powstają mikrozadziory,

które mogą zwierać blachy rdzenia zwiększając straty wiroprądowe. Duży

wpływ na straty histerezowe mają również styczne naprężenia mechaniczne

wywołane przez ściskanie podczas pakietowania rdzeni np. przy wciskaniu

pakietów w kadłub silnika, a także oblewanie pakietów stopem aluminium.

Wszystkie te operacje powodują w różnym stopniu pogorszenie włas-

ności magnetycznych tych materiałów, a tym samym i gotowego obwodu

magnetycznego. Wobec powyższego, podczas projektowania i wytwarzania

pakietowanych i zwijanych z blach rdzeni magnetycznych, należy brać pod

uwagę zarówno ich parametry w stanie wyjściowym tzw. katalogowe, jak

i w stanie spakietowanym w rdzenie. Aby zminimalizować szkodliwy wpływ tych

operacji, należy wystrzegać się takich procesów, które powodują większą ich

degradację zastępując takimi, które są mniej szkodliwe. W celu regeneracji

właściwości należy wykonać odpowiednie obróbki cieplne, które przywrócą

właściwości do stanu pierwotnego lub do niego zbliżonego. Odpowiednio

W.WILCZYŃSKI

dobrana obróbka cieplna powinna zapewnić przede wszystkim odzyskanie

utraconych właściwości, oraz powinna być możliwie tania.

Inny rodzaj obróbek cieplnych stanowią te, które są niezbędne do tego,

aby w procesie wytwarzania materiału magnetycznego zapewnić optymalne

właściwości, strukturę krystaliczną lub anizotropię magnetyczną (np. w hucie –

walcowni w procesie wytwarzania blach elektrotechnicznych lub taśm

amorficznych po procesie odlewania).

Parametry obróbek cieplnych tj. temperatura, czas i szybkość nagrze-

wania, czas i szybkość studzenia, rodzaj atmosfery gazowej oraz sposób

nagrzewania zależą od materiału obrabianego cieplnie oraz celu obróbki.

Taśmy amorficzne i nanokrystaliczne w procesie ich wytwarzania zwijane

są w gotowe rdzenie. Dopiero wówczas poddawane są odpowiedniej obróbce

cieplnej, której celem jest nadanie rdzeniom ostatecznych właściwości

magnetycznych. Tak przygotowany rdzeń często jest zamknięty w obudowie

z tworzywa, które zabezpiecza materiał przed utlenianiem i zewnętrznymi

naprężeniami mechanicznymi. Rozwijanie rdzenia jest praktycznie niemożliwe.

Materiał jest bardzo kruchy (z uwagi na skład chemiczny – dużą zawartość

krzemu).

Aktualnie produkowane na świecie materiały magnetycznie miękkie po-

siadają różne właściwości. Jedne posiadają dużą indukcję nasycenia (Fe oraz

stopy Fe – Co i Fe – Si), czasami okupione większymi stratami (np. blachy

elektrotechniczne izotropowe i anizotropowe), inne materiały posiadają małe

straty nawet przy podwyższonych częstotliwościach ale kosztem mniejszej

indukcji nasycenia (taśmy amorficzne, nanokrystaliczne, mikrokrystaliczne,

stopy Ni – Fe, ferryty miękkie). Inne ważne właściwości, które decydują o ich

zastosowaniu to: koercja, przenikalność magnetyczna, magnetostrykcja,

indukcja szczątkowa, itp. podobnie jak dwie poprzednie tj. indukcja i straty nie

idą z sobą w parze. Nie ma takiego materiału, który posiadałby jednocześnie

wszystkie najlepsze właściwości tj. dużą indukcję nasycenia, małe straty, dużą

przenikalność magnetyczną, zerową magnetostrykcję i anizotropię, wąską pętlę

histerezy – małą koercję i dużą indukcję szczątkową. Wskazane byłoby przy

tym, aby taki materiał magnetyczny posiadał szereg zalet mechanicznych:

odpowiednią wytrzymałość, twardość, grubość, dobrą wykrawalność itp. Istnieje

grupa materiałów, które mają jedną lub kilka bardzo dobrych wymienionych

właściwości lecz pozostałe są gorsze. Blachy elektrotechniczne mają stosunko-

wo dużą indukcję i przenikalność, dobrą wykrawalność, lecz duże straty przy

podwyższonych częstotliwościach. Niektóre np. taśmy amorficzne i nanokrysta-

liczne ze względu na swoją małą grubość i dużą twardość, pomimo bardzo

niskich strat i dużej przenikalności z trudem torują sobie drogę do zastosowania

na obwody wirujących maszyn elektrycznych [1, 24, 97, 105, 110].

Wiesław Wilczyński - Wpływ technologii na własciwosci magnetyczne rdzeni maszyn elektrycznych.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: