Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5b: weichmagnetische Werkstoffe Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. C. Gachot Organisatorisches: 15 min - Vorstellung - Teilnehmerliste: Name, eMail-Adresse Welche Erwartungen an die Vorlesungen haben Sie? Welche Erwartungen habe ich?  Zusammenfassung der Ergebnisse auf Overhead Details zur Klausur: Termin festlegen 1

Lernziele Kapitel 5b: weichmagnetische Werkstoffe Welche Eigenschaften zeichnen weichmagnetische Werkstoffe aus? Von welchen Einflussfaktoren sind diese Eigenschaften prinzipiell abhängig? Wie modifiziert man sie gezielt? Was sind amorphe Metalle und wie stellt man sie her? Was sind Vor- und Nachteile amorpher Weichmagnete?

Eigenschaften von Weichmagneten 1. Permeabilität: Wie viel magnetische Induktion wird in einem Material im äußeren Magnetfeld induziert?  µ soll hoch sein 2. Koerzitivität: HC klein Unterscheidung zwischen Hard- und Weichmagneten weich: HC < 1000 A/m hart: HC > 10000 A/m 3. Sättigungsmagnetisierung: Js hoch 4. Hystereseverluste: Verluste klein 5. Elektrische Verluste: Verluste klein  Wtot = Wh + Wec + Wa Wh – Hystereseverluste Wec – Wirbelstromverluste Wa – anormale Verluste (durch Domänenwandverschiebungen) [B] = 1 T = 1 (Vs)/m^2 = 1 kg/As [H] = 1 oersted = (1000/(4 Pi)) A/m = 80 A/m [M] = 1 A/m [J] = 1 oersted/cm^3 Verluste: (s. Jiles, s. 326), [W] = 1 W/m^2 Hysterese: Wh ~ f, f = Frequenz Wh ~ Bmaxn , n = [1,6-2], Bmax – Induktionsamplitude Wirbelstrom: Wec ~ d^2, d = Blechdicke, d^2 = Querschnittsfläche (s. Jiles, S. 60) Wec ~ 1/rho anormale Verluste: Wa ~ d^2/rho Wa ~ dB/dt

Typische Eigenschaften von Weichmagneten

Wechselstromanwendungen für Weichmagnete Relais

Wechselstromanwendungen für Weichmagnete Wie funktioniert eine Klingel?

Wechselstromanwendungen für Weichmagnete Motoren/Generatoren Leistungsdaten eines Asynchronmotors Quelle: Brusa.biz

Hochreines Eisen Anw. als Elektromagnet je reiner, desto besser Aufgabe: Folien 8 – 12 von Studenten erklären lassen

Fe-Co Alloys - Saturation Magnetization with Composition Co: einziges Element dass in Eisen eine Erhöhung der Sättigungsmagnetisierung und Curie-Temperatur verursacht! außerdem: niedrige Anisotopie und folglich hohe Permeabilität Problem: Co ist teuer -- >Anwendung nur in ternären Legierungen, z.B. als Speicherkerne

Permalloy - Fe-Ni-Legierung vielfältigste aller weich- magnetischen Werkstoffe höchste Permeabilität für Ni-Gehalte von 80% Anwendungsbsp.: schnellöffnende Relais (DC), in Spulen und Transformatoren Unterschied zw. 1 und 2: Wärmebehandlung großer Einfluss auf Anisotopie und Magnetostriktion  großer Einfluss auf Permeabilität

Permalloy - Fe-Ni-Legierung Phasenumwandlung bei < 30% Ni  keine klar definierte Curie-Temperatur Sättigungsmagnetisierung ist am höchsten im Bereich von 50% Ni

Permalloy - Fe-Ni-Legierung Wenn R hoch  Wirbelstromverluste klein Elektrischer Widerstand ist am höchsten im Bereich von 30% Ni

Fe and Low-Carbon Steels (Soft Iron) Die maximale Permeabilität von Polykristall-Legierungen tritt auf, wenn Anisotropie und Magnetostriktion klein sind.

Fe-Si-Legierungen

Fe-Si-Legierungen Transformatorkerne für elektrische Generatoren Wechselstrombetrieb bei 50 – 60 Hz  Wirbelströme  Wirbelstromverluste müssen begrenzt werden Leitfähigkeitserniedrigung: Zugabe von 3% Si erhöht Widerstand um das Vierfache

Historische Entwicklung Wirbelstromverluste Kernverluste 350µm Si-Fe 60 Hz

Fe-Si-Legierungen: magnetische und elektrische Eigenschaften Wenn Si-Anteil steigt, dann: schlecht: Tc sinkt: Übergang ferro zu para früher auftritt Bsat sinkt sprödes Material gut: - Anisotopiekoeff. sinkt  Permeabilität steigt Widerstand steigt: Wirbelstromverlust sinkt Magnetostriktion sinkt: weniger mech. Spannungen, weniger Geräuschentwicklung Si ist billig

Fe-Si – Einfluss Korngröße Korngröße steigt durch Zugabe von Si  leichtere Ummagnetisierbarkeit (Hc ~ 1/D) für D < 0,5 mm  Pinning der Domänenwände für D > 5 mm  180°-Wand Abstand nimmt zu  höhere Wirbelstromverluste  s. Papers von Littmann (1967) und Pry (1958) Achtung: Modell gilt nur für niedrige Frequenzen  Domänen beulen nicht aus, sondern bleiben Planar bei Verschiebung

Fe-Al-Legierungen – maximale Permeabilität Zugabe von Al Nachteile: teurer als Si harte Al2O3 –Partikel führen zu Abrasion in Stanzwerkzeugen Vorteile: fördert Kornwachstum höherer Widerstand weniger spröde  Einsatz vor allem als weiteres Legierungselement in Fe-Si

Texturen in Transformatorblechen Begrenzung von Verlusten durch Ummagnetisierung  Texturierung Goss-Textur (Fe-Si-Legierungen) Würfel-Textur (Fe-Ni-Legierungen) Magnetisierung in Vorzugsrichtung:  durch Wandverschiebungen; Drehprozesse nicht erforderlich  geringe Verluste

Texturen in Transformatorblechen Verluste bei 1,5T/50Hz gegen Orientierung 1 – Würfeltextur 2 – nicht orientiert 3 – Gosstextur Bild B.8.1 Anteile von Ummagnetisierungsverlusten in Elektroblech: (a) Anstieg des Wirbelstromverlustes PW mit der Blechdicke, Zunahme der Hystere- severlustes PH mit abnehmender Blechdicke durch innere Oxidation (durch Glühen) und dadurch behinderte Blochwandbeweglichkeit (HGO=high permeability grain oriented nach F. Bölling et al.), (Buch: Eisenwerkstoffe, S. 371) Ummagnetisierungsverlust gegen Blechdicke (HGO=high permeability grain oriented )

Magnetische Eigenschaften unterschiedlicher Weichmagnete

Amorphe Metalle (metallische Gläser) Zusammensetzung: (Fe, Ni, Co)80(Metalloid)20 Metalloide: B, Si, C, P, Ge Video: Melt-Spinning

Koerzitivfeldstärke - Zusammensetzung Vorteile: Koerzivität bis zu einer Größen- ordnung kleiner als bei Fe-Si Permeabilität eine Größenordnung größer geringe Verluste Nachteile: niedrige Sättigungsmagnetisierung Hc: Fe-Si: 8 A/m (Fe0,8Ni0,2)78 Si8 B14: annealed, 0,48 A/m Bs: Fe75P16B6Al3 = 1,5 T Permendur (Fe50Co50) = 2,45 T Verluste: ca. eine Größenordnung höher als bei Permalloy 60 Hz, 1,4 T amorph: 0,2 W/kg; Stahl 0,8 W/kg Hc gegen Zusammensetzung (Anteil der Übergangsmetalle)

Amorphous Alloys - Low saturation magnetic induction - disadvantage 1 Gauss = 10^-4 T 10 kG = 1 T

Magnetic Properties of Amorphous Alloys