background image

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Materiałoznawstwo Elektryczne

ĆWICZENIE10

BADANIE  WŁAŚCIWOŚCI  DYNAMICZNYCH
MATERIAŁÓW  MAGNETYCZNIE  MIĘKKICH

I. WIADOMOŚCI  TEORETYCZNE

1. Właściwości magnetyczne materiałów magnetycznie miękkich

Do materiałów magnetycznie miękkich zaliczamy:

 

czyste odmiany żelaza,

 

stale krzemowe gorącowalcowane,

 

stale krzemowe zimnowalcowane,

 

stopy żelazokobaltowe,

 

stopy żelazoniklowe,

 

magnetodielektryki i ferryty.

1.1. Czyste odmiany żelaza

Chemicznie  czyste  żelazo  jest  doskonałym  magnetykiem  miękkim  dla  którego 

µ

rmax

  =  1500000  oraz

H

c

  =1,2  A/m.  Zanieczyszczenie  żelaza  przez  domieszki  innych  pierwiastków  takich  jak:  węgiel,  tlen,

azot,  siarka,  fosfor,  znacznie  pogarsza  jego  właściwości.  Obniżeniu  ulega 

µ

max

  natomiast  powiększeniu

H

c

. Oczyszczenie żelaza z domieszek dokonuje się przez przetapianie w próżni lub atmosferze wodoru.

Do  najczystszych  odmian  żelaza  otrzymanych  drogą  technologiczną  należy  żelazo  karbonylkowe.

Otrzymuje  się  je  z  karbonylku  żelaza  w  postaci  bardzo  drobnego  proszku  o  średnicy  ziaren  0,005  mm.
Ż

elazo karbonylkowe stosowane jest do produkcji tzw. rdzeni proszkowych.

Drugą stosunkowo czystą odmianą żelaza jest żelazo elektrolityczne. Służy ono do produkcji bardzo

czystych odmian żelaza przez przetapianie w wodorze.

Trzecią odmianą jest tzw. żelazo armco, czyli stal niskowęglowa. Materiał ten jest stosowany w obwodach

magnesowanych prądem stałym (mierniki, przekształtniki).

1.2. Stale krzemowe gorącowalcowane

Dodanie  krzemu  do  stali  znacznie  polepsza  jej  właściwości  jako  materiału  magnetycznego  –  zwęża

pętlę histerezy i zwiększa rezystywność. Zwiększenie zawartości krzemu w stali powoduje z jednej stro-
ny  zmniejszenie  stratności,  ale  z drugiej  strony  czyni  ją  zbyt  kruchą  a przez  to  niepodatną  na  obróbkę
przez cięcie i skrawanie.

Stal krzemowa gorącowalcowana jest produkowana w arkuszach o grubości 0,35 i 0,5 mm. Stratność

blach gorącowalcowanych przy f = 50 Hz i B = 1 T wynosi:

 

blachy 0,35 mm           

PFe = 0,9 

÷

 1,3 W/kg,

 

blachy 0,5 mm             

PFe = 1,3 

÷

 2,8 W/kg.

Z  blach  krzemowych  gorącowalcowanych  wykonuje  się:  rdzenie  transformatorów  energetycznych

(coraz  rzadziej),  kształtki  pierścieniowe  do  obwodów  magnetycznych  maszyn  elektrycznych,  obwody
magnetyczne przekaźników i styczników itp. Na kształtki pierścieniowe do maszyn elektrycznych stosuje
się stale krzemowe o nieco mniejszej zawartości krzemu (2 

÷

 3 %) z uwagi na zmniejszenie ich kruchości

background image

Ć

wiczenie 10

2

 W blachach krzemowych gorącowalcowanych ułożenie kryształów jest chaotyczne, co powoduje że

ich  własności  magnetyczne  są  jednakowe  we  wszystkich  kierunkach.  Tego  rodzaju  izotropowość  jest
niezbędna  w  przypadku  obwodów  magnetycznych,  w  których  strumień  okresowo  zmienia  kierunek  w
zakresie 360

°

 (np. w rdzeniu wirników maszyn elektrycznych).

Aby  zmniejszyć  wartości  prądów  wirowych  w  rdzeniu  złożonym  z  blach  stosuje  się  odpowiednią

izolację  między  blachami.  Najczęściej  stosowana  jest  izolacja  w  postaci  warstwy  lakieru  o  grubości
około  0,03  mm  nakładanego  na  płytę  już  po  jej  wycięciu  i wyżarzeniu.  Lepszym  sposobem  izolowania
blach jest pokrywanie ich tlenkiem czyli oksydowanie.

1.3. Stale krzemowe zimnowalcowane

Stale krzemowe walcowane na zimno coraz częściej wypierają stale walcowane na gorąco z uwagi na

lepsze własności magnetyczne. Najszersze zastosowanie mają one w produkcji rdzeni dla transformato-
rów energetycznych.

Do czynników wpływających na własności magnetyczne blach transformatorowych należą:

 

naprężenia mechaniczne spowodowane odkształceniami plastycznymi (walcowanie, ciągnienie,
gięcie, wytłaczanie) oraz cięcie i wykrawanie,

 

orientacja krystalograficzna,

 

zanieczyszczenia w postaci atomów obcych pierwiastków w sieci krystalicznej, ich ilości i po-
staci występowania.

Naprężenia  mechaniczne  w  materiale  ferromagnetycznym  powodują  odkształcenie  sieci  krystalicznej  i

mają znaczny wpływ na własności magnetyczne. Wpływ ten to:

 

wzrost H

c

,

 

wzrost strat z histerezy (do 50%),

 

zmniejszenie przenikalności magnetycznej.

Wpływ cięcia blachy transformatorowej na paski pokazuje rysunek 10.1.

0,8

mm

a

10

20

0

c

H

A/m

1,6

2,4

Rys. 10.1. Zmiany natężenia koercji spowodowanego wycinaniem w za-

leżności od szerokości paska

Zachowanie się materiału ferromagnetycznego pod działaniem naprężeń w zakresie odkształceń sprę-

ż

ystych  jest  ściśle  związane  ze  zjawiskiem  magnetostrykcji  tzn.  zjawiskiem  związanym  ze  zmianami

wymiarów magnetyka pod wpływem pola magnetycznego.

Skutek naprężeń (rozciągających lub ściskających) jest ściśle zależny od znaku magnetostrykcji. I tak

np.  dla  pojedynczego  kryształu  żelaza  magnetostrykcja  w za-sadniczych  kierunkach  krystalograficznych
przebiega jak na rysunku 10.2. W przy-padku transformatorów energetycznych magnetostrykcja jest jed-
ną z przyczyn powstawania charakterystycznego przydźwięku o częstotliwości 100 Hz.

Mająca  największe  znaczenie  w  produkcji  rdzeni  dla  transformatorów  energetycznych  blacha  krze-

mowa  walcowana  na  zimno  o  ziarnie  orientowanym  jest  bardziej  wrażliwa  na  naprężenia  niż  blacha  o

background image

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

3

ziarnie nieorientowanym. W celu usunięcia ujemnego wpływu naprężeń stosuje się obróbkę cieplną tzw.
wyżarzanie odprężające. Polega ono na nagrzaniu materiału do określonej temperatury (dla blach trans-
formatorowych o ziarnie orientowanym do 800

°

C), wygrzaniu przez czas niezbędny do odbudowy sieci

krystalicznej, a następnie powolnym ostudzeniu do temperatury 300

°

C.

Należy  dodać,  że  wyżarzanie  odprężające  przeprowadza  się  zwykle  w  atmosferze  ochronnej  o  skła-

dzie dobranym tak, aby nie reagowała ona z powłoką elektroizolacyjną, którą pokryte są blachy. Najle-
piej nadaje się do tego celu atmosfera azotu z 3 

÷

 5% domieszką wodoru. Najkorzystniej jest wyżarzać

odprężająco gotowe obwody magnetyczne np. rdzenie zwijane o niezbyt dużych wymiarach.

Najlepsze  gatunki  blach  transformatorowych  są  szczególnie  wrażliwe  na  ujemny  wpływ  naprężeń  i

zastosowanie  ich  ma  sens  tylko  wówczas,  gdy  przy  montażu  rdzeni  można  wyeliminować  źródła  po-
wstawania odkształceń.

15

-5

[111]

[110]

L/L

⋅10

6

b)

[111]

10

0

-10

1

2

[110]

[100]

T

2

Wb/m

[100]

[100]

a)

Rys. 10.2. Kierunki krystalograficzne kryształu żelaza (a) i jego magnetostrykcja w kierunkach magnesowania {100],

[110] i [111] (b): 

L/L - względna zmiana wymiaru liniowego

Pojedyncze  kryształy  żelaza  i  stopów  żelazo-krzem  wykazują  wybitną  anizotropię  magnetyczną.

Krzywe magnesowania dla monokryształów żelaza obrazuje rysunek 10.3.

Ż

elazo  krystalizuje  w  układzie  regularnym  przestrzenno-centrycznym,  przy  czym  najłatwiej  magne-

suje  się  w  kierunku  [100],  trudniej  w  kierunku  [110]  a  najtrudniej  w  kierunku  przekątnych  przestrzen-
nych [111].

Dobierając  odpowiednio  technologię  można  ukształtować  strukturę  blachy  transformatorowej  w  ten

sposób, że kierunki łatwego magnesowania [100] z większym lub mniejszym odchyleniem odpowiadają
kierunkowi walcowania na zimno. Taki układ wywołuję silną anizotropię własności magnetycznych bla-
chy – podobną do anizotropii pojedynczego kryształu.

Interesująco  wygląda  porównanie  charakterystyk  stali  krzemowych  walcowanych  na  gorąco  i  stali

krzemowych o ziarnie orientowanym walcowanych na zimno (rys. 10.4). W blachach o ziarnie orientowanym
kierunek magnesowania musi być zgodny z kierunkiem walcowania.

Na  podstawie  rysunku  10.4  można  ocenić  zalety  stali  krzemowej  zimnowalcowanej  w porównaniu

z gorącowalcowaną. Stosując blachy transformatorowe o ziarnie orientowanym osiągnięto:

 

zmniejszenie wymiarów transformatorów (do 40%),

 

oszczędność oleju (do 30%).

Wpływ  zanieczyszczeń  na  własności  magnetyczne  żelaza  przy  indukcji  maksymalnej  B

max

  =  1  T

(opracowany przez Yensena) przedstawia rysunek 10.5.

Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki „zastępujące” atomy żelaza (Si, Al, Mn), powodują nieznaczne po-

gorszenie własności magnetycznych. Natomiast pierwiastki, których atomy zajmują miejsca między ato-
mami żelaza (pozycje międzywęzłowe) powodują znaczne odkształcenie sieci prowadząc do pogorszenia
własności magnetycznych. Przykładowo takimi pierwiastkami są siarka i węgiel.

background image

Ć

wiczenie 10

4

H

4

2

0

[1

11

]

[1

10

]

[100]

1

2

2

Wb/m

B

nas

B

A/m

Rys. 10.3. Magnesowanie monokryształu żelaza

T

B

1,6

0,8

200

100

300

H

A/m

wal c

owa

na na

 gor

ąco

wa lcowana  n

a zimno

w

a

lc

o

w

a

n

a

 n

a

 z

im

n

o

w

al

co

w

a

n

a

 n

g

o

c

o

0

a)

b)

W/kg

50Hz

max

B

2

T

1

0

1

2

P

Fe

Rys. 10.4. Krzywe magnesowania (a) i porównanie stratności blach krzemowych gorącowalcowanych i zimnowalcowa-

nych orientowanych

S

80

h

P

W/kg

40

P

Mn

O

0,1

0,05

% (wagowo)

0

C

Rys. 10.5. Wpływ zanieczyszczeń na straty w żelazie

background image

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

5

1.4. Stopy żelazoniklowe

Własności magnetyczne stopów żelazoniklowych zależą od procentowej zawartości niklu (rys. 10.6).

50

36

78

H

c

ρ

20

B

nas

µ

rpocz

% Ni

H

c

ρ

20

B

nas

µ

rpocz

Rys. 10.6. Wpływ procentowej zawartości niklu na niektóre własności magnetyczne sto-

pów żelazoniklowych

W  praktyce  najczęściej  wykorzystuje  się  stopy  o  zawartości  niklu  36,  50  i 78%  –  odpowiadają  one

największym wartościom 

ρ

20

, B

nas

 i 

µ

rpocz

.

Stopy żelazoniklowe o dużej rezystywności (36% Ni, 

ρ

20

 

 0,7

 

 

10

–6

 

m), ze względu na małe straty

na prądy wirowe i wąską pętlę histerezy, mogą być stosowane  na  rdzenie  transformatorów  teletransmi-
syjnych pracujących przy wysokich częstotliwościach. Stopy zawierające 50% niklu posiadają najwięk-
szą indukcję nasycenia (B

nas

 

 1,5 T), natomiast stopy zawierające około 78% Ni odznaczają się wybitnie

wąską  pętlą  histerezy  i  znaczną  przenikalnością  magnetyczną  (np.  permaloj  C, 

µ

rpocz

 

25.000, 

µ

rmax

 

120.000).

1.5. Stopy żelazokobaltowe

Stopy żelazokobaltowe odznaczają się bardzo dużą indukcją nasycenia. Są one jednak bardzo kruche i

mało podatne na obróbkę mechaniczną. W celu zmniejszenia kruchości dodaje się do nich wanadu. Do
tej grupy materiałów należy permendur (49% Co, 2% V, 49% Fe) mający następujące własności:

 

µ

rpocz

 

 800,

 

µ

rmax

 

 8000,

 

H

c

 

 96 A/m,

 

B

nas

 

 2,4 T,

 

ρ

20

 

 0,22

10

–6

 

m.

Z uwagi na wysoką cenę zastosowanie stopów żelazokobaltowych jest bardzo ograniczone. Ze stopów

tych wykonuje się rdzenie do prądniczek instalacji elektrycznej samolotów, membrany słuchawek, rdze-
nie dławików i transformatorów pracujących przy nasyceniu silnym strumieniem magnetycznym polary-
zującym na który nakłada się słaby strumień zmienny.

background image

Ć

wiczenie 10

6

1.6. Magnetodielektryki i ferryty

Ferromagnetyczne  materiały  sproszkowane  spojone  utwardzoną  żywicą,  zwane  magnetodielektryka-

mi, wykazują minimalne straty na prądy wirowe i dużą stałość własności magnetycznych przy zmianach
amplitudy składowej zmiennej, przy magnesowaniu prądem stałym oraz przy zmianach temperatury. Do
produkcji rdzeni proszkowych jest używane żelazo karbonylkowe odznaczające się małą wartością H

c

.

W wyniku istnienia wtrąceń niemagnetycznych rdzenie proszkowe odznaczają się znacznie mniejszą

przenikalnością  magnetyczną  od  przenikalności  zawartego  w nich  magnetyka.  Zaletą  jest  nieznaczna
zależność  tej  przenikalności  od  natężenia  pola  magnetycznego  co  pozwala  na  budowanie  dławików  o
praktycznie stałej indukcyjności.

Ferryty,  związki  mieszane  tlenków  Fe,  Ni,  Zn,  Mn,  Cu,  odznaczają  się  dużą  rezystywnością  (

ρ

20

)  i

wąską pętlą histerezy. Wykazują mniejsze straty niż magnetodielektryki. Przykładowe własności jednego
z ferrytów są następujące:

 

µ

rpocz

 

 250,

 

µ

rmax

 

 1000,

 

H

c

 

 120 A/m,

 

ρ

20

 

 103 

m.

Magnetodielektryki  i  ferryty  znalazły  głównie  zastosowanie  do  produkcji  dławików  oraz  cewek  do

obwodów rezonansowych oraz filtrów urządzeń radiotechnicznych.

2. Własności dynamiczne materiałów magnetycznych

Głównym celem zastosowań ferromagnetyków w polach zmiennych są dławiki, maszyny elektryczne i

transformatory. Stosuje się je tam w celu zwiększenia strumienia magnetycznego, tzn. w celu zwiększe-
nia wartości napięcia indukowanego przez pole magnetyczne.

Istotnym zagadnieniem jest analiza obwodów elektrycznych  z  rdzeniami  ferromagnetycznymi  pakie-

towanymi z blach.

Scharakteryzowanie  własności  dynamicznych  obwodu  magnetycznego  wymaga  podania  rodziny  dy-

namicznych  pętli  histerezy,  które  są  jednoznacznymi  charakterystykami  materiału  tylko  przy  ustalonej
grubości blachy, częstotliwości i ustalonym kształcie czasowego przebiegu pola magnetycznego.

Własności dynamiczne ferromagnetyka bada się na próbkach zamkniętych lub otwartych umieszczo-

nych  w  jarzmowych  obwodach  magnetycznych.  Indukcję  w próbce  można  mierzyć  przetwornikiem  in-
dukcyjnym pola zmiennego umieszczonym w wyciętej szczelinie. Natężenie pola magnetycznego wyzna-
cza się najczęściej metodą pośrednią z prądu magnesującego.

Metody pomiaru charakterystyk dynamicznych:
metoda  techniczna  –  umożliwia  wyznaczenie  krzywej  komutacyjnej;  do  pomiaru  maksymalnych

wartości indukcji i natężenia pola wystarczają zwykle woltomierze i amperomierze,

a)

 

metoda kompensacyjna – wyznacza się charakterystykę podstawowych harmonicznych mierząc
kompensatorem  amplitudy  podstawowej  harmonicznej  napięcia  w  cewce  pomiarowej  i  prądu
magnesującego w cewce magnesującej,

b)

 

metoda  mostkowa  –  polega  na  pomiarze  mostkiem  parametrów  uzwojonej  próbki  –  prowadzi
również do wyznaczenia charakterystyki dla podstawowej harmonicznej,

c)

 

metody ferromagnetyczna i oscylograficzna prowadzą do wyznaczenia dynamicznych pętli hi-
sterezy, pierwsza pośrednio przez pomiar wartości chwilowych indukcji i natężenia, druga bez-
pośrednio przez kreślenie pętli histerezy na ekranie oscyloskopu.

3. Opis metody oscylograficznej. Skalowanie oscyloskopu

Metoda  oscylograficzna  służy  do  zdejmowania  dynamicznej  pętli  histerezy  badanego  materiału  ma-

gnetycznego  drogą  pomiaru  odpowiadających  sobie  wartości  chwilowych  prądu  magnesującego  w
uzwojeniu magnesującym oraz całki z napięcia na uzwojeniu pomiarowym próbki.

background image

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

7

Pętlę  histerezy  badanej  próbki  otrzymuje  się  na  ekranie  oscyloskopu  doprowadzając  do  jego  płytek

odchylania  poziomego  sygnał  napięciowy  proporcjonalny  do  natężenia  pola  magnetycznego,  natomiast
do płytek odchylania pionowego sygnał proporcjonalny do indukcji. Napięcie proporcjonalne do natęże-
nia pola magnetycznego otrzymuje się z rezystora połączonego szeregowo z uzwojeniem magnesującym
próbki.  Napięcie  proporcjonalne  do  chwilowych  wartości  indukcji  otrzymuje  się  podając  przebieg  siły
elektromotorycznej  uzwojenia  pomiarowego  na  układ  całkujący  RC.  Aby  na  podstawie  pętli  histerezy
kreślonej na ekranie oscyloskopu określić własności badanego materiału należy oscyloskop wyskalować
w jednostkach B i H.

3.1. Skalowanie osi B

W celu wyskalowania osi B (pionowej) należy dokonać pomiaru napięcia na uzwojeniu pomiarowym

(wtórnym) badanych próbek i wyznaczyć wartość indukcji B z zależności

B

U

f z S

ś

r

p

=

4

,

(10.1)

gdzie: U

ś

r

 - wartość średnia napięcia w V, f - częstotliwość w Hz, z

p

 - ilość zwojów uzwojenia pomiaro-

wego, S - przekrój próbki w m

2

, B - indukcja w T.

Pomiaru wartości średniej napięcia można dokonać np. miernikiem magnetoelektrycznym. Z uwagi na

to, że mierniki wartości średniej są najczęściej wyskalowane w wartościach skutecznych przebiegu sinu-
soidalnego, skalę wartości średniej znajduje się ze wzoru

U

U

ś

r

=

2 2

π

,

(10.2)

gdzie U - skala wartości skutecznych.
3.2. Skalowanie osi H

W  celu  wyskalowania  osi  H  (poziomej)  należy  zmierzyć  wartość  szczytową  prądu  magnesującego

płynącego  przez  uzwojenie  pomiarowe  (pierwotne)  próbki  i wyznaczyć  wartość  natężenia  pola  magne-
tycznego ze wzoru

H

Z I

l

m

ś

r

=

max

,

(10.3)

gdzie: z

m

 - ilość zwojów uzwojenia magnesującego, I

max

 - szczytowa wartość prądu magnesującego w A,

l

ś

r

 - średnia długość drogi magnetycznej strumienia w rdzeniu w m, H - natężenie pola magnetycz-

nego w A/m.

Ze  względu  na  spodziewane  odkształcenie  prądu  magnesującego  jego  wartość  szczytową  wyznacza

się  drogą  pośrednią  polegającą  na  wyskalowaniu  oscyloskopu  sygnałem  proporcjonalnym  do  wartości
szczytowej prądu sinusoidalnego (rysunek 10.7 - przełącznik P w położeniu 2).

Os

R

2

1

m

z

A

Próbka

P

Rys. 10.7. Skalowanie  osi  H:  P  -  przełącznik,  z

m

  -  uzwojenie  magnesujące

próbki, Os - oscyloskop

background image

Ć

wiczenie 10

8

Odchylenie plamki na ekranie oscyloskopu równe jest podwójnej amplitudzie prądu. Ponieważ ampe-

romierz wyskalowany jest w wartościach skutecznych jego wskazania trzeba pomnożyć przez  2 .

Po ustawieniu przełącznika w pozycję 1 i takim wyregulowaniu prądu aby odchylenie plamki było ta-

kie  samo  jak  poprzednio,  porównujemy  wskazania  amperomierza.  Postępując  w  ten  sposób  dla  kilku
wartości prądu wyznacz się charakterystykę I

max

 = f

 

(I

wskaz

).

4. Stratność magnetyczna

Przemagnesowywaniu magnetyka towarzyszą straty energii wydzielające się w postaci ciepła i zwane

stratami na 

histerezę. Straty te są proporcjonalne do pola powierzchni pętli histerezy oraz do częstotli-

wości.

Oprócz tych strat występują również straty energii powodowane przez 

prądy wirowe indukowane w

przekrojach poprzecznych rdzeni prze okresowo zmieniający się strumień magnetyczny.

Jednostkową stratę mocy na histerezę określa się wzorem

P

f

Hz

B

T

h

= ⋅

ε

50

1

2

max

,

(10.4)

gdzie: 

ε

 - współczynnik wyrażający stratność na histerezę danej blachy (w W/kg) pomierzoną przy f = 50

Hz i amplitudzie indukcji B

max

 = 1 T.

Jednostkową stratę mocy na prądy wirowe określa zależność

P

mm

f

Hz

B

T

w

= ⋅

η

δ

0 5

50

1

2

,

max

,

(10.5)

gdzie: 

η

  -  stratność  (w  W/kg)  dla  blach  o  grubości 

δ

  =  0,5

 

mm  pomierzona  przy  f = 50

 

Hz  i  indukcji

szczytowej B

max

 = 1

 

T.

Stratność magnetyczna danego materiału jest sumą strat histerezowych i wiroprądowych  odniesioną

do 1kg magnetyka

P

P

P

Fe

h

w

=

+

.

(10.6)

Dla  materiałów  ferromagnetycznych  miękkich  najważniejsze  jest  uzyskanie  jak  największej  przeni-

kalności magnetycznej przy  najmniejszej  pętli  histerezy.  Dla  materiałów  pracujących  w  zakresie  wyso-
kich częstotliwości jest również ważne zmniejszenie strat na prądy wirowe.

5. Pytania kontrolne

1.

 

Omówić własności magnetyczne czystych odmian żelaza

2.

 

Porównać własności stali krzemowych gorąco i zimnowalcowanych

3.

 

Omówić czynniki wpływające na własności magnetyczne blach transformatorowych

4.

 

Własności stopów żelazoniklowych i żelazokobaltowych

5.

 

Własności magnetyczne magnetodielektryków i ferrytów

6.

 

Podać sposób wyskalowania oscyloskopu w jednostkach B i H

7.

 

Stratność magnetyczna

Literatura

1.

 

Brailsford F.: 

Materiały magnetyczne. PWN, Warszawa 1964

2.

 

Nałęcz M., Jaworski J.: 

Miernictwo magnetyczne. WNT, Warszawa 1968

3.

 

Paciorek Z, Stryszowski S

.: Laboratorium inżynierii materiałowej. Skrypt Politechniki Świętokrzy-

skiej nr 209, Kielce 1991

4.

 

Starczakow W.: 

Materiałoznawstwo elektryczne. Skrypt Politechniki Łódzkiej, Łódź 1969

background image

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

9

II. BADANIA

1. Parametry próbek przygotowanych do badań

Próbka 1. Próbka zamknięta pierścieniowa zwijana z taśmy magnetycznej ze stali krzemowej walco-

wanej na zimno. Szerokość taśmy 20 mm, średnica zewnętrzna 71 mm, wewnętrzna 57 mm. Nawinięty
rdzeń został wyżarzony w temperaturze 800

°

C w czasie 0,5 godziny.

Próbka  2.  Próbka  zamknięta  pierścieniowa  lita  wykonana  ze  stali  węglowej.  Wymiary  próbki  takie

jak próbki I.

Próbka 3. Próbka ta jest próbką ramową wykonaną z ferrytu prasowanego magnetycznie miękkiego.

Próbka 4. Podobnie jak próbka I zwijana z taśmy magnetycznej ze stali krzemowej zimnowalcowa-

nej. W przeciwieństwie do próbki I nie wyżarzona.

Tab. 10.1. Wymiary próbek przygotowanych do badań

Numer próbki

z

p

z

m

l

ś

r

S

cm

cm

2

1

335

200

20,1

2,10

2

335

200

20,1

2,10

3

900

300

19,6

2,25

4

335

200

20,1

2,10

2. Badanie własności dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich metodą oscylogra-

ficzną

Badania  własności  dynamicznych  przeprowadzamy  w  układzie  przedstawionym  na  rysunku  10.8.

Układ ten umożliwia jednoczesną obserwację pętli histerezy dwóch próbek na ekranie oscyloskopu dwu-
kanałowego.

R

Kanał A

Os

R

C

C

Kanał B

V

V

p

z

m

z

r

R

A

T

p

z

m

z

Próbka 1

Próbka 2

Rys. 10.8. Schemat układu do pomiaru dynamicznych pętli histerezy magnetycznej: T  -  transformator  regulacyjny,

R

r

 - rezystor regulacyjny (potencjometr), z

m

 - uzwojenia magnesujące, z

p

 - uzwojenia pomiarowe, R i C -

rezystory i kondensatory układów całkujących, Os - oscyloskop

background image

Ć

wiczenie 10

10

2.1. Skalowanie oscyloskopu

Po połączeniu układu według schematu (rys. 10.8) ustawiamy taką wartość napięcia zasilającego, aby

przez uzwojenia magnesujące płynął prąd o wartości 0,5 A. Manipulując pokrętłami wzmocnienia kana-
łów A i B i zewnętrznej podstawy czasu oscyloskopu oraz potencjometrem R

r

 doprowadzić do uzyskania

granicznych  pętli  histerezy  dla  obydwu  próbek  przy  optymalnym  wykorzystaniu  powierzchni  ekranu
oscyloskopu.

Mierząc  napięcia  na  zaciskach  uzwojeń  pomiarowych  próbek  przy  pomocy  woltomierzy  wartości

ś

redniej skalujemy oś B. Obliczamy skalę B z wzoru

skala B

U

f z S

ś

r

p

=

4

α

 [T/dz],       U

U

ś

r

=

2 2

π

,

(10.7)

gdzie:  U - wskazana wartość napięcia przez woltomierz wartości średniej wyskalowany w wartościach sku-

tecznych, 

α

 - wychylenie plamki oscyloskopu w działkach.

Skalowanie  należy  przeprowadzić  dla  każdej  próbki.  Wyniki  pomiarów  przedstawić  w  tabeli  10.2.  I

m

oznacza prąd magnesujący (potrzebny do wyskalowania osi H).

Tab. 10.2. Wyniki pomiarów skalowania osi indukcji

Numer próbki

U

I

m

U

ś

r

α

Skala B

V

A

V

dz

T/dz

1

2

Przy  skalowaniu  osi  H  bierzemy  pod  uwagę  wskazanie  amperomierza  prądu  magnesującego  (I

m

  za-

notowane w tabeli 10.2). Następnie w miejsce uzwojeń magnesujących próbek włączamy rezystor o re-
gulowanej rezystancji. Dla pewnej wartości prądu sinusoidalnego, takiej przy której wychylenie plamki
w kierunku poziomym jest takie samo, notujemy wskazanie amperomierza (I).  Mając pomiar I

m

 i I mo-

ż

emy obliczyć współczynnik skali „n” i skalę osi H korzystając z wzorów

n

I

I

=

=

2

α

α

max

,        skala H

z n

l

m

ś

r

=

 [A/m/dz], 

(10.8)

W  czasie  pomiaru  I  nie  należy  zmieniać  położenia  potencjometru  R

r

  ani  pokrętła  wzmocnienia  ze-

wnętrznej  podstawy  czasu  oscyloskopu.  Pomiary  należy  przeprowadzić  dla  wszystkich  próbek.  Wyniki
pomiarów przedstawić w tabeli 10.3.

Tab. 10.3. Wyniki pomiarów skalowania osi natężenia pola magnetycznego

Numer próbki

I

m

I

α

n

Skala H

A

A

dz

A/dz

A/m/dz

1

2

2.2. Badania oscylograficzne dynamicznych pętli histerezy magnetycznej

Przy wykonywaniu badań oscylograficznych należy:

 

przeprowadzić obserwację oscylograficzną dynamicznych pętli histerezy różnych próbek,

background image

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

11

 

pomierzyć charakterystyczne punkty pętli histerezy wstawiając wyniki pomiarów do tabeli 10.4
i naszkicować wykresy tych pętli dla wszystkich próbek we wspólnym układzie współrzędnych
B i H.

Tab. 10.4. Wyniki badań dynamicznych pętli histerezy

Numer próbki

B

nas

H

max

B

r

H

c

T

A/m

T

A/m

1

2

2.3. Wyznaczenie komutacyjnych krzywych magnesowania

Przy wyznaczaniu komutacyjnych krzywych magnesowania należy:

 

zmieniając  wartości  napięcia  zasilającego  układ  wyznaczyć  współrzędne  punktów  będących
wierzchołkami pętli histerezy i wpisać je do tabeli 10.5,

 

wykonać wykresy B

max

 = f

 

(H

max

).

Tab. 10.5. Wyniki pomiarów dynamicznych pętli histerezy

Lp.

Próbka ......

Próbka ......

B

max

H

max

B

max

H

max

T

A/m

T

A/m

1

2

3. Wnioski

1.

 

Porównać  pętle  histerezy  i  komutacyjne  krzywe  magnesowania  próbki  1  i  4  oraz  omówić  wpływ
wyżarzania  odprężającego  na  własności  magnetyczne  blach  transformatorowych  walcowanych  na
zimno.

2.

 

Na podstawie przeprowadzonych obserwacji pętli histerezy próbki 2 i 3 omówić wpływ prądów wi-
rowych na własności magnetyczne ferromagnetyków i sposoby ich zmniejszania.