Mjukmagnetiska material

Transkript

1 Mjukmagnetiska material 3 Fe-Co 2 Fe Fe-Si 0 M s [T] 1 Fe powder cores Fe-Ni wt% amorphous nanocrystalline Fe-Ni 75 wt% soft ferrites i m I tillämpningar används mjukmagnetiska material till förstärkning av magnetisk flödestäthet ( m ), exempel inkluderar krafttransformatorer (100-tals ton), distributionstransformatorer, transformatorer i elektronik, generatorer, reläer, aktuatorer, jordfelsbrytare, mikrovågstillämpningar,...

2 Önskvärda egenskaper - hög m, hög M s, lågt H c typiska värden H c A/m, m ~ små elektromagnetiska förluster Förluster i mjukmagnetiska material I dc-hysteres förlust, ökar med ökande H max (om mindre än...) Elektrisk energiförbrukning USA i början på 2000-talet kwh, förlust i transformatorer ca 1.5%, ~ 4 transformatorer mellan kraftverk och lokalt distributionssystem kwh energiförlust, kostnad ~ $10 miljarder (~ $ 0.05/kW-h) PH H d B f 0 H d M c c innesluten yta= WH f WH f W H = energiförlust per volymsenhet och fältcykel B max B H max H empirisk lag WH n Bmax, η= materialkonstant och n ~ W H liten om (irrev. magn. processer...) - få kaviteter, sekundära icke-magnetiska/svagt magnetiska faser, - inga makro/mikrospänningar, - stora kristallkorn/lite korngränser, - textur, lätt magnetiseringsriktning // magnetfält, - K 1 liten och s - liten.

3 II Klassiska Virvelströmsförluster Faraday s + Ampere's + Ohm's lagar+ fältekvation B B E r J t t 1 J H B r 0 B 2 B 0 r t r t H Ger lösning för B( r, t ), med periodiskt magnetfält definieras penetrationsdjup som r 0 r När vi funnit lösningen för B (r) kan J(r) bestämmas m h a Ampere's lag, inducerade virvelströmmar innebär förlust (i form av värme)! Viktigt : ec blir mindre om r ökar och/eller t minskar, P ec t r f Härledning elektroplåt om man antar konstant flödestäthet i plåten se anteckningar Studentportalen f (gäller även för omagnetiska metaller, r = 1) H0 sin t 2 2 P Ampere's lag innebär inducerad ström om ~ t /2 eller mindre

4 Exempel: elektroplåt (Fe-3-4at% Si) r = Wm vilket innebär 0.5 mm. Undviker stora virvelströmmar genom att stapla tunn, elektriskt isolerad elektroplåt på på varandra

5 III Anomala virvelströmsförluster, större om stora domäner P tot / f H L L/2 P a P ec P H f Dx 1 Dx 2 M Dx 1 DM 3Dx D 2 Mindre domänstorlek innebär lägre domänväggshastighet mindre anomala virvelströmsförluster (mikroströmmar runt domänväggar som rör sig) P a blir stor när kornstorleken blir stor, mm-storlek eller större, (Pry and Bean, J. Appl. Phys. 29, 532 (1958)), notera att P a och P H ställer motsatta krav när det gäller kornstorlek. Total förlust P P P tot H ec totala virvelströmsförluster / P ec Pa, enhet [W/kg]. B 0 B s domänstorlek 2L plåttjocklek d B 0 1 B s

6 Hystereskurvor för AC magnetifält med olika frekvenser. Varför?

7 Standardiserade test (noll last) Epstein ram innehållande 88 remsor, varje remsa 28 cm lång och 3 cm bred Primär och sekundärspolar i varje ben med 175 varv vardera (seriekopplade spolar) Liknar designen av en transformator, många remsor som är elektriskt isolerade från varandra...

8 Kol-stål, ~ 0.03 vikt% C a P tot ~ 10 W/kg at f = 50 Hz, t = 0.5mm and Bmax ~1-1.5T

9 Fe-Si systemets fasdiagram Viktigt att korntillväxtglödgning inte störs av strukturella fasomvandlingar Liten mängd kolförorening viktigt, vikts-% (Fe 3 C)

10 Elektroplåt Fe-Si legering Positiva effekter av att legera med Si, 0-6 vikts-% Si i) resistiviteten ökar, Fe-3 vikts-% Si har r W m, jämför rent Fe r W m ii) s minskar när Si-koncentrationen > 3 vikts-% Si iii) magnetokristallina anisotropin minskar med ökande Si-koncentration iv) Si är billigt Negativa effekter av att legera med Si i) T c minskar något ii) M s minskar, från 0 M s = 2.1 T till 2.0 T när Si-koncentrationen ökar till 3 vikts-%.

11 Skilj mellan icke-orienterad och orienterad elektroplåt Icke-orienterad plåt (ingen textur), enklare att tillverka, varmvalsas till 2 mm plåt, glödgas och betas för att ta bort ytoxider, kallvalsning till plåttjocklek mm, avkolnings- och primär korntillväxtsglödgning (ca 800 o C), tunn isolationsbeläggning 1-3 m för elektrisk isolering mellan plåtar P tot ~ 1 3 W/kg at f = 50 Hz, t = 0.5mm and Bmax ~1-1.5T Orienterad elektroplåt nödvändig i tillämpningar som kräver låga förluster, exempelvis krafttransformatorer Norman Goss uppfann 1933 en metod för att orientera kristallkorn med lätt magnetiseringsriktning // valsriktning textur (110) [001] plåtplan i) Utgår från varmvalsad 2mm plåt med ca 50 nm MnS partiklar ii) kallvalsning till sluttjocklek mm plåt, iii) avkolningsglödgning vid 800 o C, materialet rekristalliserar, primär kristallisation som ger Goss-orienterade kristallkorn ~ 0.02 mm, och iv) högtemperaturglödgning i torr N 2 vid ~ o C, sekundär kristallisation, Gossorienterade korn börjar växa i storlek medan MnS-partiklarna i korngränser bromsar tillväxten av andra orienteringar, partiklarna försvinner dessutom under glödgningen. När korntillväxten är avslutad finns cm-stora korn som går rakt igenom plåten. Kubkantens [001] avvikelse från valsriktning är ~ 6 grader. Superorienterad elektroplåt; genom att använda MnS och AlN kan halverad avvikelse mellan [001]- och valsriktning uppnås (Nippon Steel Corp.), MnSe och Sb (antimon) kan också användas som kontrollerande tillsatser (Kawasaki Steel Corp.).

12 cm-stora korn kan resultera i stora anomala virvelströms-förluster vilket försvårar ytterligare sänkning av P tot. Genom att använda isolationsbeläggning som har lägre utvidgningskoeff. än elektroplåten utsätts plåten för dragspänning vilket ger smalare domäner(tryckspänning har motsatt effekt). För orienterad plåt får materialet en tunn beläggning av MgO innan högtemperaturglödgningen som tillsammans med Si bildar ett tunt skikt av magnesiumsilikat MgSiO 3. Ytterligare reduktion genom lämpliga mekaniska spänningar som delar upp kornen i mindre områden (med oförändrad orientering); ex. laserritsningsmetod, laser skapar punktlinjer på några mm avstånd (tvärs valsriktning), minskar domänstorleken. P tot 5 MPa ~1 W/kg för f = 50 Hz, t = 0.23mm and B max ~1.7 T några mm mellan laserpunkter

13 Ni-Fe systemets fasdiagram Oönskad ordnad FeNi 3 struktur fcc 50 80% Ni

14 teckenbyte för K 1 vid ca 75% Ni Ni-Fe legeringar, magnetiska egenskaper långsam order-disorder övergång, snabbkylt 78 permalloy har K 1 ~ 200 J/m 3, medan långsam kylning ger ett material med K 1 ~ 1800 J/m 3

15 Ni-Fe legeringar Mycket goda mjukmagnetiska egenskaper, kan tillverkas som tunna band med tjocklekar mm. Två huvudtyper Fe-Ni legeringar tillverkas: ~ 50% hög 0 M s 1.5 T och m ~ 80% hög m 10 5, 0 M s 1 T och 0, K 1 0. Genom små tillsatser av legeringsämnen kan Fe-Ni systemet skräddarsys för olika tillämpningar, ex. Mo och Cu. s -metall (magnetiska skärmning) 77% Ni, 16% Fe, 5 % Cu, 2% Cr m 10 5, H c 4 A/m och 0 M s 0.75 T Supermalloy 79% Ni, 16% Fe, 5% Mo m 10 6, H c 0.16 A/m och 0 M s 0.8 T Dessa legeringar kan nå magnetisk induktion B ~ 0.5 T med fält H ~ 1 A/m, hur stort är detta fält? ca 1/50 av jordmagnetiska fältet! Tillämpningar inkluderar magnetisk skärmning och jordfelsbrytare.

16 Amorfa magnetiska legeringar metallglas Magnetiskt 3d element (T) som Fe eller Co + glasbildare (M) som B, P eller Si, sammansättning T 80 M 20. Tillverkas genom snabbkylning av smält material, smältan sprutas under högt tryck genom ett munstycke mot ett snabbt roterande, vattenkylt metallhjul, kylhast. ~ 10 6 K/s, efterföljande värmebehandling vid o C. Resulterar i amorf metastabil legering ("tomtebloss"), producerar tunna band mm, bandbredd som mest cm Fördelar ingen magnetokristallin anisotropi, inga korngränser hög resistivitet > 10-6 Wm magnetostriktionen kan bli mycket liten (Co-baserade material) Nackdelar förhållandevis låg magnetisk mättnadsinduktion 0 M s T materialen kan åldras låga T c dyr tillverkning

17 Två typer av amorfa legeringar Fe-baserade Co-baserade ex. Fe 78 B 13 Si 9 hög M s, T c ~ o C. ex. Fe 5 Co 75 B 20 låg M s, T c ~ o C P tot ~ W/kg at 50 Hz and B ~1-1.5 T s 0

18 Nanokristallina mjukmagnetiska material Utgår från amorft band, FeSiBCuNb-systemet, 74 at% Fe 15% Si 7 at% B 1 at % Cu 3 at% Nb. Värmebehandling vid o C ger nm-stora bcc FeSi kristaller inbäddade i en amorf minoritetsfas FeNbB. Cu gynnar tillväxt av bcc FeSi korn medan Nb ser till att kornen inte blir för stora samt stabiliserar den amorfa minoritetsfasen. Om värmebehandlingen sker vid högre temperatur tillväxer även FeB-kristaller och kristallerna blir större vilket man vill undvika. Volymsandelen nanokristaller ~ % och nanokristallernas storlek ~ 5-20 nm. Experimentella resultat tyder på att FeSi kristallerna innehåller ca 25 at% Si (Fe 3 Si). Magnetiska mätningar visar att materialen innehåller två magnetiska delar, den nanokristallina delen med T c ~ o C och den amorfa delen med T c ~ o C. När den amorfa delen tappar sin ferromagnetism försvinner de goda mjukmagnetiska egenskaperna. De goda mjukmagnetiska egenskaperna förklaras av ett samspel med utbytesväxelverkan (som har lång räckvidd) och den lokala magnetokristallina anisotropin; den effektiva magnetiska anisotropin är ett medelvärde över många nanokristaller som har lätta magnetiseringsriktningar slumpvis orienterade. Förutom låg magnetokristallin anisotropi erhåller materialen även reducerad magnetostriktion (ca 1/10 av det amorfa materialet magnetostriktion).

19 amorphous nanocrystalline Ni-Fe (50/50) permalloy Fe-Si: 6.5 wt% Fe 74.5-x Cu x Nb 3 Si 22.5-y B y H c [A/m] D 6 1/D i D [m] D (nm) 10 3 Fåtal materialtyper som samtidigt kan uppvisa låg magnetokristallin anisotropi och magnetostriktion; Permalloy (ca 78 % Ni), Co-baserade amorfa legeringar och nanokristallina mjukmagnetiska material. Av dessa har de nanokristallina materialen högst M s ( T). Jämfört med amorfa material bättre termisk stabilitet. Högfrekvensmaterial kubiska ferriter (M, Zn)O Fe 2 O 3 där M = divalent metalljon som Mn eller Ni; mixed ferrites Positiva egenskaper; liten magnetokristallin anisotropi, låg magnetostriktion och hög resistivitet (Mn, Zn)O Fe 2 O 3 r ~ Wm frekvenser upp till ~ 1 MHz (Ni, Zn)O Fe 2 O 3 r ~ 10 3 Wm frekvenser upp till ~ MHz Negativ egenskap; liten mättnadsmagnetisering,varför?

20 Egenskaper mjukmagnetiska (M, Zn) Fe 2 O 3 ferriter M s och T c öker respektive minskar med ökande ZnO-Fe 2 O 3 innehåll K 1 och s minskar snabbare än M s med ökande temperatur

21 1375 o C (5 min) ökande sintringstemperatur 1435 o C (1 min) viktigt att välja rätt sintringstemperatur! Figuren visar porositet i Mn-Zn ferriten efter värmebehandling vid olika temperaturer. Det är kaviteterna inuti kristallkorn som förhindrar domänväggrörelser, håligheter vid korngränser har inte samma starka negativa inverkan på de mjukmagnetiska egenskaperna.

22 Mjukmagn. mtrl för dc applikationer (elektromagneter) inget behov av hög r, kraven är istället hög r, hög M s, låg H c 'Rent' järn, < 0.03 vikts-% C, H c 80 A/m, max 10 Kan förbättras genom avkolningsglödgning i vätgas 5 max 10 H c 4 A/m,, dyrt dock! och 0 M s 2.1 T Co enda grundämne som vid legering med Fe kan ge mättnadsmagnetisering som är högre än för rent Fe; max vid Fe 65% Co 35% 0Ms 2.4 T, samtidigt låg magnetokristallin anisotropi, ett problem är legeringens sprödhet, kan förbättras genom legering med vanadin, Fe 49% Co 49% V 2% 2.35 T, kallas Permendur 0M Mål Kunna önskvärda egenskaper för mjukmagnetiska material s Känna till vad elektromagnetiska förluster i mjukmagnetiska material innebär, kunna särskilja mellan olika bidrag och känna till vilka materialparametrar som påverkar bidragens storlek Känna till egenskaper hos elektroplåt och skillnaden mellan icke-orienterad och orienterad elektroplåt Känna till egenskaper hos Ni-Fe systemet (50% och 80% Ni) Känna till egenskaper hos magnetiska metallglas och hur de tillverkas Känna till egenskaper hos nanokristallina mjukmagnetiska material och hur de tillverkas Känna till egenskaper hos kubiska ferriter Känna till Permendur 4