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 µrmax = 1500000 oraz Hc =1,2 A/m. Zanieczyszczenie żelaza przez domieszki innych pierwiastków takich jak: węgiel, tlen, azot, siarka, fosfor, znacznie pogarsza jego właściwości. Obniżeniu ulega µmax natomiast powiększeniu Hc. 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.

Żelazo 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 strony 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

Ćwiczenie 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 Hc,

− wzrost strat z histerezy (do 50%),

− zmniejszenie przenikalności magnetycznej.

Wpływ cięcia blachy transformatorowej na paski pokazuje rysunek 10.1.

∆ c

H

A/m

2,4

1,6

0,8

a

0

10

20

mm

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-

żystych 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 jedną z przyczyn powstawania charakterystycznego przydźwięku o częstotliwości 100 Hz.

Mająca największe znaczenie w produkcji rdzeni dla transformatorów energetycznych blacha krzemowa walcowana na zimno o ziarnie orientowanym jest bardziej wrażliwa na naprężenia niż blacha o

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 składzie 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 powstawania odkształceń.

a)

∆L/L⋅106

b)

15

[100]

[110]

[100]

[100]

10

[110]

T

0

1

2

2

Wb/m

[111]

-5

[111]

-10

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.

Żelazo 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 Bmax = 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.

Ćwiczenie 10

4

2

Wb/m

B

B

[100]

nas

2

[110]

[111]

1

H

0

2

4

A/m

Rys. 10.3. Magnesowanie monokryształu żelaza

a)

b)

B

∆PFe

T

W/kg

o

o

rąc

n

o

wa lcowana na zimno

im

a g

1,6

z

2

n

a

a

n

n

a

a

n

wal cowana na gorąco

w

a

w

alco

lco

w

a

0,8

w

1

H

50Hz

Bmax

0

0

100

200

300 A/m

1

2

T

Rys. 10.4. Krzywe magnesowania (a) i porównanie stratności blach krzemowych gorącowalcowanych i zimnowalcowanych orientowanych

∆ h

P

W/kg

S

C

80

40

P

O

Mn

0

0,05

0,1 % (wagowo)

Rys. 10.5. Wpływ zanieczyszczeń na straty w żelazie

Badanie właściwości dynamicznych materiałów magnetycznie miękkich

5

1.4. Stopy żelazoniklowe

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

µ

H

rpocz

c

ρ20

Hc

Bnas

µrpocz

ρ20

Bnas

36

50

78

% Ni

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 ρ20, Bnas i µrpocz.

Stopy żelazoniklowe o dużej rezystywności (36% Ni, ρ20 ≈ 0,7 ⋅ 10–6 Ωm), 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 (Bnas ≈ 1,5 T), natomiast stopy zawierające około 78% Ni odznaczają się wybitnie wąską pętlą histerezy i znaczną przenikalnością magnetyczną (np. permaloj C, µrpocz ≈25.000, µrmax ≈

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:

− µrpocz ≈ 800,

− µrmax ≈ 8000,

− Hc ≈ 96 A/m,

− Bnas ≈ 2,4 T,

− ρ20 ≈ 0,22⋅10–6 Ωm.

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.

Ćwiczenie 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 Hc.

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 (ρ20) i wąską pętlą histerezy. Wykazują mniejsze straty niż magnetodielektryki. Przykładowe własności jednego

z ferrytów są następujące:

− µrpocz ≈ 250,

− µrmax ≈ 1000,

− Hc ≈ 120 A/m,

− ρ20 ≈ 103 Ωm.

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 magnetycznego drogą pomiaru odpowiadających sobie wartości chwilowych prądu magnesującego w

uzwojeniu magnesującym oraz całki z napięcia na uzwojeniu pomiarowym próbki.

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 natężenia 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

U

B

śr

=

,

(10.1)

4 f z S

p

gdzie: Uśr - wartość średnia napięcia w V, f - częstotliwość w Hz, zp - ilość zwojów uzwojenia pomiarowego, S - przekrój próbki w m2, 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

= 2 2 U ,

(10.2)

śr

π

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 magnetycznego ze wzoru

Z I

H

m

=

max ,

(10.3)

lśr

gdzie: zm - ilość zwojów uzwojenia magnesującego, Imax - szczytowa wartość prądu magnesującego w A,

lśr - 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).

A

Os

Próbka

1

P

zm

R

2

Rys. 10.7. Skalowanie osi H: P - przełącznik, zm - uzwojenie magnesujące

próbki, Os - oscyloskop

Ćwiczenie 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 Imax = f (Iwskaz).

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 częstotliwości.

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



 2

∆

f

B

P = ε ⋅

⋅  max  ,

(10.4)

h

50 Hz  1T 

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

Hz i amplitudzie indukcji Bmax = 1 T.

Jednostkową stratę mocy na prądy wirowe określa zależność



 2

∆

δ

f

B

P = η ⋅ 

⋅

⋅ max  ,

(10.5)

w

 0 5

, mm 50Hz

1T 

gdzie: η - stratność (w W/kg) dla blach o grubości δ = 0,5 mm pomierzona przy f = 50 Hz i indukcji szczytowej Bmax = 1 T.

Stratność magnetyczna danego materiału jest sumą strat histerezowych i wiroprądowych odniesioną

do 1kg magnetyka

∆P = ∆P + ∆P .

(10.6)

Fe

h

w

Dla materiałów ferromagnetycznych miękkich najważniejsze jest uzyskanie jak największej przenikalności magnetycznej przy najmniejszej pętli histerezy. Dla materiałów pracujących w zakresie wysokich 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

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 walcowanej 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

zp

zm

lśr

S

–

–

–

cm

cm2

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

A

Os

Kanał A

z

zp

m

Próbka 1

T

V

C

V

C

z

zp

m

R

Próbka 2

r

R

Kanał B

Rys. 10.8. Schemat układu do pomiaru dynamicznych pętli histerezy magnetycznej: T - transformator regulacyjny, Rr - rezystor regulacyjny (potencjometr), zm - uzwojenia magnesujące, zp - uzwojenia pomiarowe, R i C -

rezystory i kondensatory układów całkujących, Os - oscyloskop

Ćwiczenie 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 Rr 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

średniej skalujemy oś B. Obliczamy skalę B z wzoru

U

2 2 U

skala B

śr

=

[T/dz], U

=

⋅ ,

(10.7)

śr

4f z Sα

π

p

gdzie: U - wskazana wartość napięcia przez woltomierz wartości średniej wyskalowany w wartościach skutecznych, α - wychylenie plamki oscyloskopu w działkach.

Skalowanie należy przeprowadzić dla każdej próbki. Wyniki pomiarów przedstawić w tabeli 10.2. Im oznacza prąd magnesujący (potrzebny do wyskalowania osi H).

Tab. 10.2. Wyniki pomiarów skalowania osi indukcji

Numer próbki

U

I

α

m

Uśr

Skala B

–

V

A

V

dz

T/dz

1

2

Przy skalowaniu osi H bierzemy pod uwagę wskazanie amperomierza prądu magnesującego (Im 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 Im i I mo-

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

I 2

I

z n

n =

= max , skala H

m

=

[A/m/dz],

(10.8)

α

α

l śr

W czasie pomiaru I nie należy zmieniać położenia potencjometru Rr 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

Im

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,

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

Bnas

Hmax

Br

Hc

–

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 Bmax = f (Hmax).

Tab. 10.5. Wyniki pomiarów dynamicznych pętli histerezy

Lp.

Próbka ......

Próbka ......

Bmax

Hmax

Bmax

Hmax

–

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.