MATERIALI E TECNOLOGIE ELETTRICHE MATERIALI MAGNETICI

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1 CORSO DI MATERIALI E TECNOLOGIE ELETTRICE MATERIALI MAGNETICI Prof. Giovanni Lupò Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università di Napoli Federico II Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica III anno II semestre a.a. 2009/10 XI

2 Modello generale dell induzione magnetica = 0 = μ E t 0 J + ε 0 = μ0 s 0J ( J + J ) μ modelloqsm cond ( + J ) s J m J = J + 2

3 Leggi integrali (applicazioni ingegneristiche) Σ n dσ = 0 γ μ o t dl = S γ J cond + J m + ε o E n ds t γ fmm γ t dl = + n ds ( ) cond s γ S γ J J S γ J cond n ds γ concatenamento S γ J cond n ds = γ NI 3

4 INTENSITA DEL CAMPO MAGNETICO nel nei vuoto = μ o materiali = μ o M γ M t dl = S γ J m n ds γ M :intensità di magnetizzazione (campo smagnetizzante) pari al momento magnetico risultante per unità di volume dovuto alle correnti elementari associate allo spin quantico 4

5 MATERIALI FERROMAGNETICI = μ o M ( ) = μ + μ M( ) o o M M s 5

6 MATERIALI FERROMAGNETICI = μ + μ M o o ( ) μ o M s 6

7 Valori di saturazione Materiale Intensità di Magnetizzazione μ 0Ms [T] Ms [A/m] Ferro Ferro cobalto Acciaio temprato Cobalto Nickel Magnetite

8 Caratteristica di magnetizzazione normale 8

9 PERMEAILITA MAGNETICA μ d = μo + μo d μd = = d M o ( ) μ (1 + dm d ) = μ (1 + χ o d ( )) = μoμrd μ M μ i μ o 9

10 MATERIALI DIAMAGNETICI IL CAMPO MAGNETICO E INDEOLITO ALL INTERNO DEL MATERIALE. L EFFETTO È MOLTO DEOLE (μ r circa 1, 1 χ circa 1x10 6 ). 10

11 MATERIALI PARAMAGNETICI IL CAMPO MAGNETICO VIENE RAFFORZATO ALL INTERNO DEL MATERIALE. L EFFETTO È PIUTTOSTO DEOLE (μ( r circa 1, 1 χ = ) 11

12 PERMEAILITA MAGNETICA Permeabilità incrementale Permeabilità difrenziale Permeabilità difrenziale normale Permeabilità reversibile 12

13 CICLI DI DI ISTERESI DI DI FERRO, NICEL, COALTO. Fe Ni Co 13

14 Ciclo di isteresi Ciclo assestato Formula di Steinmetz w [W/cm3] =η 1.6 Cifra di perdita c[w/kg] a 50 z M =1T Lamierini dinamo c=3.6 W/kg (p s =7.8 g/cm 3 ) 14

15 Materiali duri Presentano un ciclo di isteresi gonfio MATERIALI FERROMAGNETICI DURI Materiale η C [W/kg] r [T] c [A/m] Acciaio (1%C) Acciaio temprato Ferriti Ni, a,co (+OFe2O3)

16 Materiali dolci Presentano un ciclo di isteresi stretto MATERIALI FERROMAGNETICI DOLCI Materiale η C [W/kg] r [T] c [A/m] Ferro Si 3 4% 27, Permalloy (21.8% Fe 78,2% Ni) Ferro elettrolitico 80 0,51 Ferro dolce Acciaio dolce Ferriti (+OFe2O3) Ferriti (+OFe2O3) NiZn MnZn

17 CURVE DI MAGNETIZZAZIONE DI FERRO, ACCIAIO E GISA [T] 1,5 FERRO DI SVEZIA ACCIAIO 1 GISA 0, [A/cm] 17

18 Permeabilità massima Materiale μm [A/m] [T] Ferro elettrolitico Permalloy (21.8% ,8 0,54 Fe 78,2% Ni) Acciaio (1%C) ,7 Acciaio temprato Mu metal

19 CASI ASE μ 1 μ 1 O μ 0 d 2 O μ 0 μ a) b) 19

20 Componenti magnetiche Caso a) Ferro (1) Aria (2) t 0 0 n 0 limitata t indeterminata 0 n limitata limitata Caso b) Ferro (1) Aria (2) t limitata limitata n 0 limitata t illimitata limitata n limitata limitata 20

21 MAGNETOSTRIZIONE IN FERRO, COALTO E NICEL 10 Δl/l x 10-6 [ka/m] Fe Co Ni 21

22 Materiali per magneti permanenti Acciai martensitici (1880) ( max =40 *80 Ws/m 3 ) Acciai al tungsteno (1890) Acciai alcr Co Polveri con Mn i Con titanio (TICONAL per altoparlanti) Magneti ceramici (ossidi di rro + carbonato di bario, ) Leghe con Al Ni Co (1950) (r=1.3 T; c=5,6 A/m; max >80kJ/m 3 ) Leghe con terre rare (samario cobalto, neodimio rroboro) (r>1.4 T; c>100 ka/m; max >400 kj/m 3 ) 22

23 Dimensionamento magneti permanenti Magnete duro S N Magnete dolce Trarro 23

24 γ t dl = 0 m all'interfaccia l + mtrarro rro duro l t dl + trarro = 0 trarro rro dolce trarro t dl + m = trarro mtrarro t dl l trarro l rro duro l μ0 trarro = μ0 ( caratteristica del trarro) l t dl + trarro t dl = 0 24

25 trarro max rro l = trarro l trarro S trarro S trarro τ 2 trarro μ o τ trarro trarro = μ o τ τ trarro max 25

26 -- Fine MTE_11 26