MISURE SU SINGOLI FOGLI DI LAMIERINI MAGNETICI.

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1 MISURE SU SINGOLI FOGLI DI LAMIERINI MAGNETICI. Autore: Ing. Milanesi Fabio Resp. Progettazione e Sviluppo SAMAR S.r.l. Riassunto: Si presenta un apparecchio per la misura rapida delle perdite su lamierini magnetici. Peculiarità dell'apparecchio è la praticità e la rapidità della misura, ottenuta semplicemente appoggiando una sonda sulla lamiera magnetica. Nell'articolo si espone il principio di funzionamento, il percorso che ha portato alla realizzazione dello strumento e un confronto con i metodi di misura tradizionali. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO I materiali magnetici sottoposti ad un flusso alternato sono sede di perdite per isteresi magnetica e correnti parassite. Per la determinazione delle perdite esiste un apposito apparecchio detto di Epstein il quale è un trasformatore smontabile il cui nucleo è realizzato con circa 2 kg di strisce del lamierino in prova. L'apparecchio di Epstein è alimentato a frequenza industriale; con una misura di tensione si risale all'induzione, con una di potenza elettric a si risale alle perdite. Le modalità di prova sono normalizzate. Il problema principale dell'epstein è la laboriosità della preparazione del materiale e l'impossibilità di eseguire misure su piccoli pezzi di lamiera già tranciati. Si è quindi realizzato un dispositivo, indicato nel seguito come PLM (Prova Lamierini Magnetici) che rende possibile la misura su un singolo foglio di lamiera, anche di ridotte dimensioni. Nella ideazione del PLM si è cercato di simulare il più possibile nel materiale magnetico le reali condizioni di funzionamento, compatibilmente con la necessità di eseguire la misura su un singolo foglio. Il metodo di misura delle perdite consiste come nell'epstein nell'applicare mediante una bobina un flusso magnetico sul lamierino e nel misurare la potenza elettrica necessaria a mantenerlo. Tale potenza è dissipata in parte nel dispositivo necessario per creare il flusso e in parte nel lamierino magnetico. Con opportuni accorgimenti si può fare in modo che la prima componente sia trascurabile o compensabile con calcolo e che quindi la misura della potenza elettrica sia Pagina 1 di 7

2 proporzionale alle perdite nel lamierino in prova. Pagina 2 di 7

3 REALIZZAZIONE DELLA SONDA La sonda deve essere in grado di produrre e misurare in modo affidabile e ripetibile un flusso magnetico nella direzione della laminazione del lamierino in prova. L'area soggetta a flusso non deve essere troppo piccola per evitare di incorrere in disomogeneità locali del materiale ma nel frattempo le dimensioni della sonda devono permettere la misura anche su particolari magnetici già tranciati, dove le misure con metodi tradizionali sono praticamente impossibili. La configurazione del circuito magnetico deve essere tale da rendere il più possibile trascurabili le perdite nella sonda rispetto a quelle nel materiale in prova. Ci si è subito orientati sui nuclei a C in quanto disponibili commercialmente, realizzati con materiale magnetico di buona qualità e aventi due superfici perfettamente lisce, adatte per essere appoggiate sul lamierino in prova. Dopo alcune prove si è ritenuto che il nucleo a C in figura fosse un buon compromesso tra queste opposte esigenze. Sulle colonne del nucleo a C sono avvolte due bobine di uguale numero di spire: una è percorsa dalla corrente magnetizzante e impone il flusso nel lamierino; l'altra invece è sede del flusso indotto e consente di misurarlo semplicemente misurando la tensione indotta. La sonda è un piccolo trasformatore con rapporto spire 1:1 ma con il circuito magnetico parzialmente aperto. A chiudere il circuito magnetico sarà proprio il lamierino in prova che risulterà quindi percorso da quasi tutto il flusso magnetico prodotto dalla bobina. La sezione utile del lamierino attraversata dal flusso è data da : S u = l t K d Dove S u è la sezione utile, t è lo spessore del lamierino e l è la dimensione trasversale del nucleo a C e K d è un coefficiente di dispersione che tiene conto di un certo allargamento del flusso oltre la larghezza l. Si può ritenere K d non superiore a 1.20, ossia stimare un allargamento del flusso di circa il 10% per parte; in ogni caso non è di particolare interesse stimare K d, in quanto lo strumento sarà tarato per confronto con lamiere magnetiche di cui è nota la perdita. La sezione nominale nel nucleo a C avente spessore della colonna a è di: S c = l a Con le quote indicate si ha che la sezione del nucleo a C è di 144mm², mentre quella di un lamierino di spessore 0.5mm è di circa 9.6mm². Pagina 3 di 7

4 Poiché il flusso resta all'incirca costante in tutto il circuito magnetico, l'induzione nel nucleo sarà molto minore di quella nel lamierino. Ne segue che il materiale del nucleo lavorerà in condizioni di bassa induzione, basse perdite ed elevata permeabilità. Per avere un'induzione di 1 tesla nel lamierino da 0.5 mm di spessore serve un flusso di: Φ= S B = weber Questo flusso si mantiene pressoché costante nel nucleo a c e pertanto si può applicare la ben nota relazione: E=4.44 F N f che lega la tensione E indotta in un avvolgimento di N spire interessato da un flusso Φ a una frequenza f. Con 1000 spire e alla frequenza di 50Hz e il flusso indicato sopra si ha che una tensione efficace di 2.13 V equivale a un'induzione di 1 Tesla. Pagina 4 di 7

5 PROVE SU LAMIERINI COMMERCIALI Con la collaborazione di alcune ditte del settore si è realizzata una campagna di misure su materiali magnetici di diversa composizione chimica, spessore cifra di perdita. Ogni prodotto è stato provato sia all'apparecchio di Epstein sia con la sonda, rilevando una buona correlazione tra le misure. Un esempio significativo è stato riportato nel grafico sottostante ottenuto eseguendo misure su lamierini di spessore 0.5mm all'induzione di 1 Tesla. 2.5 POTENZA / CIFRA DI PERDITA 2.0 Potenza misurata Cifra di perdita Pagina 5 di 7

6 Sull'asse X è riportata la cifra di perdita ( rilevata all'apparecchio di Epstein) e sull'asse Y la tensione in uscita dal convertitore wattmetrico proporzionale alla potenza dissipata nel lamierino. Il punto a cifra di perdita 0 corrispondente alle perdite nel nucleo della sonda, è stato ottenuto chiudendo il nucleo con un altro identico e dividendo per 2 la potenza misurata. Si nota che, fissata un'induzione di lavoro di 1 Tesla, la cifra di perdita Cp di un lamierino può essere espressa con buona approssimazione in funzione della potenza P dissipata dalla sonda da : Cp = a P + b dove il coefficiente a esprime tutte le costanti relative al sistema di prova, mentre il termine costante b rappresenta fisicamente le perdite nel nucleo. Risultati analoghi con coefficienti a e b diversi si ottengono per tutte le induzioni di lavoro. STRUMENTO DI MISURA Il passo successivo è stato di costruire un misuratore di potenza idoneo per portate dell'ordine del milliwatt e per tensioni e correnti fortemente sfasate; è chiaro che la precisione e l'affidabilità del PLM dipendono prevalentemente dalle caratteristiche di questo milliwattmetro. Pagina 6 di 7

7 V W G ~ Lamierino in prova In figura è riportato lo schema elettrico di principio; nella realtà è stato necessario acquisire i segnali di tensione e potenza, legati rispettivamente a induzione e perdite, mediante un convertitore analogico-digitale controllato da microprocessore. La parte software del dispositivo elabora gli ingressi di tensione e potenza utilizzando gli opportuni parametri ricavati sperimentalmente per ciascun spessore del lamierino e induzione di lavoro e provvede a visualizzare su display alfanumerico l'induzione e le perdite specifiche. PRECISIONE E CONFRONTO CON I METODI DI MISURA TRADIZIONALI Da numerosi confronti tra le indicazioni del PLM e le misure eseguite con l'apparecchio di Epstein si è osservata una buona ripetitività delle misure. Una limitazione alla precisione sembra piuttosto dovuta alla disomogeneità di alcuni materiali magnetici: misure condotte sulla stessa lamiera ma in punti diversi possono dare differenze intorno al 5 10%. Per ottenere la migliore precisione è quindi opportuno eseguire più misure in punti diversi del materiale e fare la media dei valori ottenuti. Il PLM è risultato idoneo per molte applicazioni commerciali, specialmente dove non si dispone di un laboratorio attrezzato con l'apparecchio di Epstein e dove necessita una rapidità di misura. Lo strumento è ovviamente insostituibile per misure su particolari già tranciati. Pagina 7 di 7

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