Materiali magnetici. B = vettore induzione magnetica H = vettore intensità del campo magnetico. nel vuoto: B = μo H

Transcript

1 Materiali magnetici = vettore induzione magnetica H = vettore intensità del campo magnetico nel vuoto: = μo H La costante μo è la permeabilità magnetica del vuoto: μo = 1, H/m In presenza di un qualunque materiale: μr = permeabilità relativa del materiale. = μr μoh μr < 1, per materiali diamagnetici. μr > 1, per materiali paramagnetici. μr >> 1, per materiali ferromagnetici e ferrimagnetici.

2 Materiali magnetici Materiali diamagnetici Il campo magnetico viene indebolito all interno del materiale (μr circa 1). In un materiale diamagnetico non esistono dipoli magnetici permanenti. l applicazione di un campo magnetico di induzione crea dei dipoli magnetici di direzione opposta e quindi tali da indebolire. Materiali paramagnetici Il campo magnetico viene rafforzato all interno del materiale. l effetto è piuttosto debole (μr circa 1). Nei materiali paramagnetici sono presenti dipoli magnetici permanenti di tipo atomico: Per = 0 i dipoli non hanno una direzione preferenziale; Per 0 i dipoli tendono ad orientarsi nella direzione del campo rafforzandolo.

3 Materiali magnetici i Si ha un effetto simile a quello dei materiali paramagnetici ma molto rafforzato (μr dell ordine di alcune migliaia o decine di migliaia). I dipoli permanenti sono raggruppati in domini ( domini di Weiss) i cui momenti ROTAZIONE DEI MOMENTI MAGNETICI magnetici non sono concordi fra loro per valori nulli o molto bassi di. Se cresce aumentano le dimensioni dei domini concordi con il campo e si CRESCITA DEI DOMINI CONCORDI. CONTRAZIONE DEI DOMINI DISCORDI ha la rotazione di altri domini. H

4 Curva di prima magnetizzazione di un materiale La curva di prima magnetizzazione è il diagramma di in funzione di H di un provino di materiale mai magnetizzato in precedenza. La curva di prima magnetizzazione può essere determinata sperimentalmente.

5 Ciclo di isteresi Il fenomeno dell isteresi in un materiale ferromagnetico si può spiegare con il fatto che per = 0 non tutti i domini i ritornano all orientamento t iniziale. i i L isteresi magnetica produce delle perdite la cui entità è proporzionale all area del ciclo. dolci duri SONO CARATTERIZZATI DA: SONO CARATTERIZZATI DA: ELEVATA μ max ASSA μ max H ELEVATA r ASSO H c PICCOLA AREA DEL CICLO H ELEVATA H c GRANDE AREA DEL CICLO Nuclei ferromagnetici Magneti permanenti

6 Perdite per isteresi In presenza di un campo variabile è necessario fornire energia per consentire le continue variazioni di orientamento dei domini. L energia per unità di volume necessaria per portare un materiale all induzione vale: W i = 0 Hd Seguendo un intero ciclo di magnetizzazione viene dissipata una quantità di energia per unità di volume pari all area del ciclo d isteresi. In pratica per determinare la potenza perduta per isteresi p i si usa la formula di Steinmetz: p i = k i f M h k i =costantedelmateriale materiale. M = valore massimo di. h = 1,6-2,2 crescente con

7 MATERIALI FERROMAGNETICI Perdite per correnti parassite Sono prodotte da correnti che, nella massa di un conduttore ferromagnetico, circolano su piani ortogonali alla direzione del vettore, variabile nel tempo. i Le perdite per correnti parassite valgono: f = frequenza di kc = costante caratteristica del materiale M = valore massimo di. pc = kc f 2 M 2 Poiché kc dipende dalla resistività ρ del materiale e dalla sezione S perpendicolare alla direzione di, per ridurre pc è necessario aumentare ρ e ridurre S.

8 Perdite totali Le perdite totali in un materiale ferromagnetico sono pari a: h p f = p i + p c = k i f M + kc f 2 2 M Spesso, per un valore fissato di frequenza, si può anche porre con buona approssimazione: p f = k f 2 M Perdite totali a Hz

9 Perdite totali Mediante l apparecchio di Epstein è possibile misurare le perdite totali e non singolarmente le perdite per isteresi e correnti parassite. Dividendo le perdite totali per la frequenza si ha: W f = W i + W c = k i M h + kc f M 2

10 Cifra di perdita Nella pratica il valore delle perdite di un materiale ferromagnetico viene fornito attraverso la cifra di perdita p m così definita: p m = Potenza perduta in un chilogrammo di materiale (espressa in W/kg) con = 1 T, f = 50 Hz, Se G è il peso del materiale soggetto all induzione di 1 T le perdite valgono: P m = k p m G (W) dove k > 1 tiene conto del fatto che nella pratica le perdite del materiale ferromagnetico in una macchina elettrica sono superiori di un 20 30% rispetto a quelle misurate con l apparecchio di Epstein sul provino a causa delle differenti condizioni di lavoro del materiale. Per 1, in prima approssimazione: P m = k p m G 2 (W) Per un calcolo più preciso occorre usare un diagramma delle perdite in funzione di.

11 Riduzione delle perdite per isteresi Riduzione dell area del ciclo d isteresi - Si ottiene agendo sulla composizione del materiale (leghe Fe-Si) e attraverso trattamenti di ricottura. Riduzione delle perdite per correnti parassite Aumento della resistività del materiale Si ottiene modificando la composizione del materiale (aumentando il tenore di silicio) Introduzione di discontinuità elettriche - Si ottiene utilizzando lamierini isolati dello spessore di 0,5-0,35 mm posti in modo da opporsi alla circolazione delle correnti parassite. i

12 Lamierini i i in Fe-Si a cristalli non orientati ti Si tratta di lamierini di acciaio con aggiunta di silicio fino ad un massimo del 4-4,5 %. L aggiunta di silicio produce i seguenti vantaggi: Aumenta fortemente la resistività. Diminuisce leggermente le perdite per isteresi. Aumenta la permeabilità massima. Si ha infatti: μr = 5000 per un acciaio allo 0,2% C μr = 7000 per un acciaio al 3% Si Svantaggi prodotti dall aggiunta di silicio: Diminuisce leggermente s (circa 2 T) Diminuisce la conducibilità termica Aumenta la fragilità I lamierini a cristalli non orientati hanno caratteristiche magnetiche isotrope e possono essere utilizzati per realizzare sia trasformatori che macchine rotanti.

13 Lamierini in Fe-Si a cristalli orientati Con ripetute laminazioni a freddo intervallate da trattamenti di ricottura si ottengono lamierini in cui i domini hanno i momenti magnetici concordemente orientati nella direzione di laminazione. Si ottengono lamierini con: cifra di perdita inferiore a 0,75 W/kg (0,4-0,6 W/kg). elevata permeabilità (μmax = , μi = 1.500). Induzione di saturazione leggermente superiore a quella dei lamierini a cristalli non orientati (s = 2 T) 0 o μ r 55 o p m 90 o

14 I lamierini a cristalli orientati sono impiegati in tutti quei circuiti magnetici nei quali il flusso abbia una direzione prevalente, cioè: nei nuclei dei trasformatori nelle espansioni polari delle dinamo. I lamierini a cristalli orientati sono disponibili in rotoli alti 1m. la loro superficie è isolata e può essere successivamente verniciata, dopo tranciatura viene effettuato un trattamento di ricottura. GIUNTI A 45 o E A 90 o

15 Ferriti Sono materiali non metallici costituiti da ossidi di ferro e di un metallo bivalente (Mg, Mn, Zn, Cu,...) ed assimilabili a materiali ceramici dei quali hanno la durezza e la fragilità. Hanno conducibilità molto bassa e quindi perdite molto ridotte e qundi adatte alla realizzazione di nuclei ferromagnetici per applicazioni in alta frequenza (5 500 khz). Le ferriti più comuni sono del tipo Mn - Zn, Ni - Zn, Mg - Mn. 0,4 0,3 (T) Zn - Mn Ni - Zn 0,2 01 0, Mg - Mn H (As/m)

16 Materiali isolanti Isolamento dei lamierini ferromagnetici Sezione netta del nucleo (ferro) Coefficiente di stipamento k ST = Sezione lorda del nucleo (ferro + isolante) Materiale k ST Utilizzo Carta.85.9 Macchine rotanti Vernici Macchine rotanti e trasformatori Trattamenti chimici (fosfatazione).9.96 trasformatori