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Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Einführung in die Funktionswerkstoffe
Kapitel 5b: weichmagnetische Werkstoffe
Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. C. Gachot
Funktionswerkstoffe II2
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
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?
Funktionswerkstoffe II3
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
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)
Funktionswerkstoffe II4
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Typische Eigenschaften von Weichmagneten
Funktionswerkstoffe II5
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Wechselstromanwendungen für Weichmagnete
Relais
Funktionswerkstoffe II6
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Wechselstromanwendungen für Weichmagnete
Wie funktioniert eine Klingel?
Funktionswerkstoffe II7
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Wechselstromanwendungen für Weichmagnete
Motoren/Generatoren
Quelle: Brusa.biz
Leistungsdaten eines Asynchronmotors
Funktionswerkstoffe II8
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Hochreines Eisen
Funktionswerkstoffe II9
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Fe-Co Alloys - Saturation Magnetization with Composition
Funktionswerkstoffe II10
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Permalloy - Fe-Ni-Legierung
• vielfältigste aller weich- magnetischen Werkstoffe • höchste Permeabilität für Ni-Gehalte von 80%
Funktionswerkstoffe II11
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Permalloy - Fe-Ni-Legierung
Sättigungsmagnetisierung ist am höchsten im Bereich von 50% Ni
Funktionswerkstoffe II12
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Elektrischer Widerstand ist am höchsten im Bereich von 30% Ni
Permalloy - Fe-Ni-Legierung
Funktionswerkstoffe II13
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Fe and Low-Carbon Steels (Soft Iron)
Funktionswerkstoffe II15
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
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
Funktionswerkstoffe II16
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Historische Entwicklung Wirbelstromverluste
Kernverluste350µm Si-Fe60 Hz
Funktionswerkstoffe II17
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Fe-Si-Legierungen: magnetische und elektrische Eigenschaften
Funktionswerkstoffe II18
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Fe-Si – Einfluss Korngröße
Funktionswerkstoffe II19
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
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
Funktionswerkstoffe II20
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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
Funktionswerkstoffe II21
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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
Funktionswerkstoffe II22
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Magnetische Eigenschaften unterschiedlicher Weichmagnete
Funktionswerkstoffe II23
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Amorphe Metalle (metallische Gläser)
Zusammensetzung:(Fe, Ni, Co)80(Metalloid)20
Metalloide: B, Si, C, P, Ge
Video: Melt-Spinning
Funktionswerkstoffe II24
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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)
Funktionswerkstoffe II26
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Magnetic Properties of Amorphous Alloys