Lehrstuhl Funktionswerkstoffe

Einführung in die Funktionswerkstoffe

Kapitel 5b: weichmagnetische Werkstoffe

Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. C. Gachot

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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?

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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)

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Typische Eigenschaften von Weichmagneten

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Wechselstromanwendungen für Weichmagnete

Relais

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Wechselstromanwendungen für Weichmagnete

Wie funktioniert eine Klingel?

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Wechselstromanwendungen für Weichmagnete

Motoren/Generatoren

Quelle: Brusa.biz

Leistungsdaten eines Asynchronmotors

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Hochreines Eisen

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Fe-Co Alloys - Saturation Magnetization with Composition

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Permalloy - Fe-Ni-Legierung

• vielfältigste aller weich- magnetischen Werkstoffe • höchste Permeabilität für Ni-Gehalte von 80%

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Permalloy - Fe-Ni-Legierung

Sättigungsmagnetisierung ist am höchsten im Bereich von 50% Ni

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Elektrischer Widerstand ist am höchsten im Bereich von 30% Ni

Permalloy - Fe-Ni-Legierung

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Fe and Low-Carbon Steels (Soft Iron)

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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

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Historische Entwicklung Wirbelstromverluste

Kernverluste350µm Si-Fe60 Hz

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Fe-Si-Legierungen: magnetische und elektrische Eigenschaften

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Fe-Si – Einfluss Korngröße

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Fe-Al-Legierungen – maximale Permeabilität

Zugabe von Al

Nachteile:teurer als Siharte Al2O3 –Partikel führen zu Abrasion in Stanzwerkzeugen

Vorteile:fördert Kornwachstumhöherer Widerstandweniger spröde

Einsatz vor allem als weiteres Legierungselement in Fe-Si

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Texturen in Transformatorblechen

Goss-Textur(Fe-Si-Legierungen)

Würfel-Textur(Fe-Ni-Legierungen)

Begrenzung von Verlusten durch Ummagnetisierung Texturierung

Magnetisierung in Vorzugsrichtung: durch Wandverschiebungen; Drehprozesse nicht erforderlich geringe Verluste

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Verluste bei 1,5T/50Hz gegen Orientierung1 – Würfeltextur2 – nicht orientiert3 – Gosstextur

Ummagnetisierungsverlust gegen Blechdicke(HGO=high permeability grain oriented )

Texturen in Transformatorblechen

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Magnetische Eigenschaften unterschiedlicher Weichmagnete

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Amorphe Metalle (metallische Gläser)

Zusammensetzung:(Fe, Ni, Co)80(Metalloid)20

Metalloide: B, Si, C, P, Ge

Video: Melt-Spinning

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Koerzitivfeldstärke - Zusammensetzung

Vorteile:

• Koerzivität bis zu einer Größen- ordnung kleiner als bei Fe-Si

• Permeabilität eine Größenordnung größer

• geringe Verluste

Nachteile:

• niedrige Sättigungsmagnetisierung

Hc gegen Zusammensetzung (Anteil der Übergangsmetalle)

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Magnetic Properties of Amorphous Alloys