APPLICAZIONI DEI MATERIALI FERROMAGNETICI

ESERCITAZIONE 6 CONSIDERARE LE APPLICAZIONI DI MATERIALI FERROMAGNETICI IN PRESENZA DI FLUSSO COSTANTE. DESCRIVERE I FENOMENI CHE SI VERIFICANO NEI MATERIALI FERROMAGNETICI SOGGETTI A FLUSSO VARIABILE NEL TEMPO. CONSIDERARE GLI ACCORGIMENTI ATTI A LIMITARE GLI EFFETTI NEGATIVI DI TALI FENOMENI. VALUTARE QUANTITATIVAMENTE LE PERDITE. DESCRIVERE LE PROPRIETÀ DELL ACCIAIO AL SILICIO. CONSIDERARE I DIVERSI TIPI DI LAMIERINI USATI NEGLI APPARATI ELETTROMECCANICI. PRESENTARE I LAMIERINI FERROMAGNETICI DI TIPO INNOVATIVO. DESCRIVERE I MATERIALI AD ELEVATA PERMEABILITÀ E PER ALTA FREQUENZA. APPLICAZIONI DEI MATERIALI FERROMAGNETICI NUCLEI MAGNETICI MASSICCI NUCLEI MAGNETICI LAMINATI MAGNETI PERMANENTI COMPONENTI AD ALTA FREQUENZA SCHERMI MAGNETICI NUCLEI MAGNETICI MASSICCI SI RIFERISCONO A PARTI DI CIRCUITI MAGNETICI SEDE DI FLUSSI MAGNETICI COSTANTI NEL TEMPO GIOGHI ROTORICI E POLI DI MACCHINE SINCRONE GIOGHI STATORICI E POLI DI MACCHINE A COMMUTAZIONE NUCLEI DI ELETTROMAGNETI E RELÉ IN CORRENTE CONTINUA PER I NUCLEI MASSICCI SI USANO: FERRO LAVORATO ACCIAIO AL CARBONIO (0,1-1% C): FUSO FUCINATO IN LAMIERE SPESSE GHISA (2-4,6% C): GRIGIA MALLEABILE DUTTILE INTERESSANO: I VALORI DELLE PERMEABILITÀ MASSIMA ED INIZIALE. L INDUZIONE DI SATURAZIONE LA FORZA COERCITIVA 55

B (T) 1,5 FERRO DI SVEZIA ACCIAIO 1 GHISA 0,5 50 100 150 H (As/cm) Figura 6.1 - Curve di magnetizzazione di ferro, acciaio e ghisa PROPRIETÀ MECCANICHE SONO SPESSO DETERMINANTI NELLE MACCHINE ROTANTI: ROTORI DEI TURBOALTERNATORI GIOGHI DI ROTORE E DELLE MACCHINE SINCRONE A POLI SALIENTI IN QUESTI CASI SI USA DI REGOLA ACCIAIO FUCINATO L AGGIUNTA DI CARBONIO AL FERRO AUMENTA H c, DIMINUISCE m M,CIOÈ INDURISCE IL MATERIALE. L AGGIUNTA DI UNA QUANTITÀ DI NICHEL > 25% DA LUOGO AD UN ACCIAIO INOSSIDABILE NON FERROMAGNETICO POSSONO ESSERE CONSIDERATI ANCHE MATERIALI MASSICCI ANCHE I I LAMIERINI SPESSI UTILIZZATI PER I POLI DELLE MACCHINE SINCRONE (FINO A 2mm) E PER I GIOGHI ROTORICI DELLE MACCHINE SINCRONE AD OMBRELLO (FINO A 5mm). MATERIALI FERROMAGNETICI IN PRESENZA DI FLUSSO VARIABILE. MATERIALI FERROMAGNETICI SOGGETTI A FLUSSO VARIABILE IN UN MATERIALE FERROMAGNETICO SEDE DI UN FLUSSO VARIABILE È IMPORTANTE CONSIDERARE I SEGUENTI FENOMENI: MAGNETOSTRIZIONE PERDITE PER ISTERESI PERDITE PER CORRENTI PARASSITE MAGNETOSTRIZIONE UN MATERIALE FERROMAGNETICO MAGNETIZZATO CAMBIA LEGGERMENTE LE SUE DIMENSIONI. SI PRODUCE CIOÈ UNA VARIAZIONE REVERSIBILE Dl/l DELL ORDINE DI 10-6 LA MAGNETOSTRIZIONE POCO RILEVANTE, IN PRATICA, CON CAMPI MAGNETICI COSTANTI, PRODUCE, CON CAMPI VARIABILI NEL TEMPO, FENOMENI VIBRATORI ED EMISSIONI SONORE DIFFICILISSIME DA ELIMINARE. 56

DOMINI DI CHIUSURA MAGNETOSTRIZIONE NEGATIVA MAGNETOSTRIZIONE POSITIVA Figura 6.2 - Magnetostrizione in un materiale ferromagnetico LA MAGNETOSTRIZIONE È ATTRIBUITA AL CAMBIAMENTO DELLA LUNGHEZZA DEI LEGAMI ATOMICI QUANDO I MOMENTI DI DIPOLO ELETTRONICI IN UN DOMINIO RUOTANO PER EFFETTO DEL CAMPO. I CAMPI DEI DIPOLI POSSONO ATTRARSI, ED IL METALLO SI CONTRAE (MAGNETOSTRIZIONE NEGATIVA), O RESPINGERSI, ED IL METALLO SI DILATA (MAGNETOSTRIZIONE POSITIVA). 10 l/l x 10-6 H (ka/m) 20 40 60-10 Fe -30 Co Ni Figura 6.3 - Magnetostrizione in ferro cobalto e nichel PERDITE NEI MATERIALI FERROMAGNETICI LA POTENZA DISSIPATA NEI MATERIALI FERROMAGNETICI, A CAUSA DELLE VARIAZIONI DEL FLUSSO, COSTITUISCE UNA DELLE VOCI PRINCIPALI DI CUI TENERE CONTO NELLA VALUTAZIONI DEL RENDIMENTO DELLE MACCHINE ELETTRICHE. 57

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 B VALE: B Wi = HdB 0 VIENE INFATTI DISSIPATA UNA ENERGIA PER UNITÀ DI VOLUME PARI ALL AREA DEL CICLO. NATURALMENTE PER n CICLI LE PERDITE VANNO MOLTIPLICATE PER n. SI HA PROPORZIONALITÀ CON LA FREQUENZA. IN PRATICA PER DETERMINARE LA POTENZA PERDUTA PER ISTERESI i psi USA LA FORMULA DI STEINMETZ: k i = COSTANTE DEL MATERIALE. B M = VALORE MASSIMO DI B. h = 1,6-2,2 CRESCENTE CON B p i = k i f B M η PERDITE PER CORRENTI PARASSITE SONO PERDITE PRODOTTE DA CORRENTI CHE, NELLA MASSA DI UN CONDUTTORE FERROMAGNETICO, CIRCOLANO SU PIANI ORTOGONALI ALLA DIREZIONE DEL VETTORE B, VARIABILE NEL TEMPO. B i Figura 6.4 - Correnti parassite in un materiale ferromagnetico conduttore 58

SI HA: p c = k c f 2 B M 2 DOVE SI È POSTO: f = FREQUENZA DI B k c = COSTANTE DEL MATERIALE B M = VALORE MASSIMO DI B. k c DIPENDE DALLA RESISTIVITÀ r DEL MATERIALE E DALLA SEZIONE S PERPENDICOLARE ALLA DIREZIONE DI B. PER RIDURRE p c È NECESSARIO AUMENTARE r E RIDURRE S. LE PERDITE IN UN MATERIALE FERROMAGNETICO SOGGETTO A CAMPO VARIABILE VALGONO: p f = p i + p c = k i f B M 2 + kc f 2 B M 2 SPESSO SI PUÒ CON BUONA APPROSSIMAZIONE PORRE: p f = k f B M 2 RIDUZIONE DELLE PERDITE NEL FERRO INTERVENTI PER RIDURRE LE PERDITE NEI MATERIALI FERROMAGNETICI: MODIFICARE LE CARATTERISTICHE DEL MATERIALE PER : RIDURRE L AREA DEL CICLO DI ISTERESI AUMENTARNE LA RESISTIVITÀ USARE LAMIERINI SOTTILI RIDUZIONE DELL AREA DEL CICLO DI ISTERESI SI OTTIENE CON I SEGUENTI INTERVENTI: AGENDO SULLA COMPOSIZIONE DEL MATERIALE ATTRAVERSO TRATTAMENTI DI RICOTTURA O COMUNQUE RIVOLTI A MODIFICARE LA STRUTTURA DEL MATERIALE. 59

i B Figura 6.5 - Correnti parassite in un nucleo ferromagnetico laminato AUMENTO DELLA RESISTIVITÀ DEL MATERIALE SI OTTIENE CON I SEGUENTI INTERVENTI: AGENDO SULLA COMPOSIZIONE DEL MATERIALE ATTRAVERSO TRATTAMENTI TERMICI CREANDO DISCONTINUITÀ ELETTRICHE USO DI LAMIERINI SOTTILI SI USANO LAMIERINI DELLO SPESSORE DI 0,5-0,35 mm POSTI IN MODO DA OPPORSI ALLA CIRCOLAZIONE DELLE CORRENTI PARASSITE. IN ALTERNATIVA SI POTREBBERO USARE FILI (DI IMPIEGO PROBLEMATICO) O POLIMERI CARICATI (BASSA m) PERDITE - LAMIERINI AL SILICIO. CIFRA DI PERDITA IN PRATICA IL VALORE DELLE PERDITE DI UN MATERIALE FERROMAGNETICO VIENE FORNITO ATTRAVERSO LA CIFRA DI PERDITA p m COSÌ DEFINITA POTENZA PERDUTA ESPRESSA IN WATT/kg, CON B = 1 TESLA, f = 50 Hz, IN UN CHILOGRAMMO DI MATERIALE. SE G È IL PESO DEL MATERIALE SOGGETTO ALL INDUZIONE DI 1 T LE PERDITE VALGONO: P m = k p m G (watt) DOVE k > 1 TIENE CONTO DEL TIPO DI MONTAGGIO DEL NUCLEO MAGNETICO. SE SI HA: 60

B 1T SI PUÒ, IN PRIMA APPROSSIMAZIONE SCRIVERE: Pm = k p m G B 2 (watt) PER UN CALCOLO PIÙ PRECISO OCCORRE USARE UN DIAGRAMMA DELLE PERDITE IN FUNZIONE DI B. PERDITE Pm (W/kg) 10 1 0 0,5 1 1,5 2 0,1 INDUZIONE B (T) Figura 6.6 - Perdite in funzione dell'induzione B in un materiale ferromagnetico PERDITE (W/kg) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 B 2 (T 2 ) Figura 6.7 - Perdite in funzione dell'induzione al quadrato in un materiale ferromagnetico 61

Tabella 6.1 - Metodi per ridurre le perdite per isteresi TIPO DI PERDITE METODI DI RIDUZIONE DELLE PERDITE ISTERESI a) MIGLIORE ORIENTAMENTO (grossi domini di Weiss) b) RIDUZIONE DELLE IMPURITÀ (con il sislicio si ha una riduzione delle impurità in quanto esso agisce da disossidante dando origine a silicati) c) RIDUZIONE DELLE SOLLECITAZIONI INTERNE (le tensioni interne sono di ostacolo all'allargamento dei domini di Weiss) IL MARGINE DI RIDUZIONE DELLE PERDITE PER ISTERESI È PIUTTOSTO RIDOTTO, SI PRODUCONO LAMIERINI CON CRISTALLI SUPERORIENTATI CON CICLI DI ISTERESI MOLTO RISTRETTI CON TECNICHE DI DEGASAGGIO SOTTO VUOTO E CON PARTICOLARI TRATTAMENTI SI RIDUCONO I TENORI DI O, N, S. Tabella 6.2 - Metodi per ridurre le perdite per correnti parassite TIPO DI PERDITE CLASSICHE CORRENTI PARASSITE ANOMALE METODI DI RIDUZIONE DELLE PERDITE a) RIDUZIONE DELLO SPESSORE b) INCREMENTO DI r (% SILICIO) a) DIMENSIONI DEI GRANI b) TENSIONE SUPERFICIALE DEL LAMIERINO c) RIDUZIONE DEI DOMINI (ES. TRATTAMENTO AL LASER) SI HANNO ANCORA NOTEVOLI MARGINI DI AZIONE CONSIDERANDO CHE NEI LAMIERINI AD ALTA PERMEABILITÀ LE PERDITE ANOMALE PESANO CIRCA PER IL 40% DEL TOTALE. SI AGISCE IN DUE DIREZIONI: RIDUZIONE DELLO SPESSORE (FINO A 0,15 mm) RIDUZIONE DELLE DIMENSIONI DEI DOMINI AD ES. CON TRATTAMENTO AL LASER MATERIALI FERROMAGNETICI LAMINATI SI TRATTA DI LAMIERINI IN ACCIAIO A CUI SI AGGIUNGE SILICIO FINO AD UN MASSIMO DEL 4-4,5 %. L AGGIUNTA DI SILICIO PRODUCE I SEGUENTI VANTAGGI: AUMENTA FORTEMENTE LA RESISTIVITÀ. 62

DIMINUISCE LEGGERMENTE LE PERDITE PER ISTERESI (elimina le impurità che ostacolano lo spostamento delle pareti di Bloch le quali rappresentano i confini dei domini di Weiss). AUMENTA LA PERMEABILITÀ MASSIMA - m r = 5000 PER UN ACCIAIO ALLO 0,2% C - m r = 7000 PER UN ACCIAIO AL 3% Si EVITA L INVECCHIAMENTO MAGNETICO (la riduzione delle perdite si traduce in una riduzione del riscaldamento e quindi in una riduzione dell'invecchiamento) SVANTAGGI PRODOTTI DALL AGGIUNTA DI SILICIO: DIMINUISCE LEGGERMENTE B s (CIRCA 2 T) DIMINUISCE LA CONDUCIBILITÀ TERMICA AUMENTA LA FRAGILITÀ LAMIERINI FERROMAGNETICI I PRINCIPALI TIPI DI LAMIERINI FERROMAGNETICI SONO: LAMIERINI A CRISTALLI NON ORIENTATI. LAMIERINI A CRISTALLI ORIENTATI. LAMIERINI MAGNETICI AMORFI. LAMIERINI MICROCRISTALLINI. LAMIERINI A CRISTALLI NON ORIENTATI SI HANNO I SEGUENTI TIPI: LAMIERE DA DINAMO, ACCIAIO EXTRADOLCE. LAMIERE SEMILEGATE (1-1,5% Si) (sono caratterizzate da una certa facilità di taglio e punzonatura e vengono perciò impiegate per macchine rotanti di piccola e media potenza in cui interessa una produzione in serie e quindi un basso costo di produzione) LAMIERE LEGATE (2-2,5% Si) (alternatori media potenza) LAMIERE EXTRALEGATE (3,5% Si) (alternatori media-grande potenza) LAMIERE EXTRALEGATE (3,5%-5%Si) (sono lamierini molto fragili che possono essere impiegati sono in macchine elettriche statiche come i trasformatori) Tabella 6.3 - Caratteristiche di lamierini a cristalli non orientati TIPO DA DINAMO SEMILEGATE LEGATE EXTRA LEGATE CONT. Si % 0 1-1,5 2-2,5 3,5 r (m Ohm/cm) 14 30 40 50 SPESSORI (mm) 0,5 0,5-0,35 0,35 0,35 pm ( w/kg) 3-3,5 2,5-2,2 1,7-1,3 1,3-1,1 LAMIERINI 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). 63

CON ELEVATA PERMEABILITÀ (m max = 30.000, m i = 1.500). PERCENTUALE DI Si 3% INDUZIONE DI SATURAZIONE LEGGERMENTE SUPERIORE A QUELLA DEI LAMIERINI A CRISTALLI NON ORIENTATI (Bs = 2 T) 0 o µ r 55 o p m 90 o Figura 6.8 - Perdite e permeabilità relativa in un lamierino a cristalli orientati in funzione dell'angolo di laminazione 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 NEGLI STATORI DEI GRANDI TURBOALTERNATORI, CON ORIENTAMENTO CIRCONFERENZIALE. I LAMIERINI A CRISTALLI ORIENTATI SONO DISPONIBILI IN ROTOLI ALTI 1m. LA LORO SUPERFICIE È ISOLATA CON ISOLAMENTO MINERALE E PUÒ ESSERE SUCCESSIVAMENTE VERNICIATA. DOPO TRANCIATURA VIENE EFFETTUATO UN TRATTAMENTO DI RICOTTURA. B Figura 6.9 - Utilizzazione dei lamierini a cristalli orientati nello statore di un turboalternatore LAMIERINI MAGNETICI AMORFI SONO I LAMIERINI COMMERCIALI CON LA PIÙ BASSA CIFRA DI PERDITA (0,1 W/kg). SI TRATTA DI LEGHE A BASE DI FERRO, BORO, SILICIO. SONO MOLTO SOTTILI ( FINO A 20 mm). HANNO ALTA PERMEABILITÀ 64

SONO OTTENUTI PRODUCENDO UN NASTRO CON VELOCITÀ DI RAFFREDDAMENTO DELL ORDINE DI 10 5-10 6 o C/s. SI IMPEDISCE COSÌ LA CRISTALLIZZAZIONE DELLA LEGA.L UNICA LEGA IN COMMERCIO HA COMPOSIZIONE Fe 78% B13% Si 9% HANNO LE SEGUENTI CARATTERISTICHE: elevata permeabilità, m max fino a 600.000 bassa B s (intorno a 1,55 T) basse perdite(1/3, 1/4 dei lamierini normali) elevata magnetostrizione (fino a 30 10-6 ) SONO USATI PER NUCLEI AVVOLTI O PER PICCOLI COMPONENTI. LAMIERINI MICROCRISTALLINI SONO FABBRICATI CON LA TECNICA DEI MATERIALI AMORFI MA CON RAFFREDDAMENTO PIÙ LENTO. SI SONO OTTENUTI LAMIERINI Fe - Si FINO AL 6% Si CON CIFRA DI PERDITA NON MOLTO SUPERIORE A QUELLA DEI MATERIALI AMORFI (0.5 W/kg). SI TRATTA DI MATERIALI SPERIMENTALI LEGHE FERRO NICHEL LA PRESENZA DEL NICHEL NELLE LEGHE FERROSE CAUSA UN FORTE AUMENTO DELLA PERMEABILITÀ INIZIALE E DELLA PERMEABILITÀ MASSIMA. SI HA UNA INDUZIONE DI SATURAZIONE PIUTTOSTO BASSA. CON Ni 30% SI OTTIENE UNA LEGA NON MAGNETICA. 1 LEGA Fe - Ni µ i 10.000 2 LEGA Fe - Ni TRATTATA TERMICAMENTE 2 1 20 100 %Ni Figura 6.10 - Permeabilità iniziale della lega Fe-Ni in funzione della % di Ni 65

B s (T) 2 ρ B s 1 0 50 100 %Ni Figura 6.11 - Resistività ed induzione di saturazione della lega Fe-Ni in funzione della % di Ni Tabella 6.4 - Caratteristiche delle principali leghe Fe-Ni MATERIALE mi mmax Bs (T) Hc (As/m) Fe - Ni 50% c.o. 800 50.000 1,55 20 Permenorm 5000 z Fe - Ni 68% 1.200 250.000 1,30 2,5 Permalloy 68 Fe - Ni 78% 8000 100.000 1,08 4 Permalloy 78 Fe - Ni 79% - Mn 5% 50.000 500.000 0,80 0,5 Superpermalloy Fe - Ni 77% - Cu 5% - Cr 2% Mumetal 25.000 100.000 0,65 1,2 APPLICAZIONI DELLE LEGHE Fe - Ni SONO USATE ANCHE IN SPESSORI MOLTO SOTTILI: PER TRASFORMATORI DI MISURA PER RIDURRE I FLUSSI DISPERSI (basso errore di rapporto). IN TRASFORMATORI ED APPARATI A FREQUENZE AUDIO. IN APPLICAZIONI PER TELECOMUNICAZIONI (l'elevata permeabilità iniziale consente di trattare segnali anche molto bassi). LEGHE FERRO - COBALTO IL COBALTO È UN MATERIALE DURO. OLTRE CHE PER I MAGNETI PERMANENTI LE LEGHE Fe - Co CONSENTONO DI OTTENERE ELEVATA B s (PERMENDUR) O COSTANZA DI m NEL TRATTO INIZIALE DELLA CURVA DI MAGNETIZZAZIONE (PERMINVAR). 66

LA LEGA PERMENDUR È DURA E FRAGILE, NON SI LAVORA A FREDDO. PER LA B s ELEVATA SI USA PER POLI DI ELETTROMAGNETI. LA LEGA PERMINVAR È UTILIZZATA IN TELECOMUNICAZIONI E STRUMENTI DI MISURA. Tabella 6.5 - Caratteristiche delle leghe Fe-Co e di una ferrite Mn-Zn MATERIALE mi mmax Bs (T) Hc (As/m) Fe - Co 50% Permendur 800 2,45 160 Fe - Ni 45% - Co 25% 400 2.000 1,55 100 Perminvar Ferrite Mn Zi Ferroxcube 900 2.000 0,45 8 FERRITI La necessità di realizzare dei nuclei per alte frequenze ha spinto nella direzione della produzione delle ferriti. Dato che la laminazione non può andare oltre certi limiti (0.02 mm per i materiali amorfi) si ricorre alle ferriti che sono ottenute dalla sinterizzazione di polveri metalliche finemente suddivise e tenute insieme da un materiale isolante che agisce da traferro distribuito. Per questo motivo le ferriti sono caratterizzate da basse perdite ma anche da una ridotta permeabilità. Le particelle metalliche hanno dimensioni di circa 10-100 µm]. [ SONO MATERIALI FERRIMAGNETICI NON METALLICI COSTITUITI DA OSSIDI DI FERRO E DI UN METALLO BIVALENTE (Mg, Mn, Zn, Cu,...) (Es. Me-O-Fe 2 O 3 dove Me è un metallo bivalente) POSSONO ESSERE CONSIDERATI SALI DI UN IPOTETICO ACIDO FERRICO. SONO ASSIMILABILI A MATERIALI CERAMICI DEI QUALI HANNO LA DUREZZA E LA FRAGILITÀ. ANCHE LA TECNOLOGIA È TIPICA DEI MATERIALI CERAMICI. HANNO CONDUCIBILITÀ MOLTO BASSA E QUINDI PERDITE MOLTO RIDOTTE. SONO QUINDI UTILIZZABILI IN ALTA FREQUENZA. LE FERRITI PIÙ COMUNI SONO DEL TIPO Mn - Zn, Ni - Zn, Mg - Mn. 0,4 0,3 B (T) Zn - Mn Ni - Zn 0,2 0,1 Mg - Mn H (As/m) 100 200 300 Figura 6.12 - Curve di magnetizzazione di alcune ferriti 67

ANCHE I GRANATI SONO MATERIALI FERRIMAGNETICI UTILIZZATI IN ALTA FREQUENZA, PER TESTINE DI REGISTRAZIONE, NUCLEI PER ANTENNE. LA FERRITE PIÙ COMUNE È IL TIPO Mn - Zn USATA FINO AD 1,5 MHz. OLTRE 1,5 MHz SI USANO FERRITI Ni - Zn. RICORDIAMO INFINE CHE PER PARTICOLARI SCOPI POSSONO ESSERE IMPIEGATI POLIMERI CARICATI CON POLVERI FERROMAGNETICHE. 68