Σύγκριση Απωλειών Πυρήνα Άμορφου Σιδήρου και Μαγνητικής Λαμαρίνας για Εφαρμογές Μηχανών Μονίμων Μαγνητών

Abstract

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται το θέμα των απωλειών πυρήνα σε σιδηρομαγνητικά υλικά χαμηλών απωλειών. Πιο συγκεκριμένα, συγκρίνονται σε ένα πρώτο βήμα οι απώλειες πυρήνα υμενίων άμορφου σιδήρου πάχους 25 μm με τα χαρακτηριστικά μαγνητικής λαμαρίνας χαμηλών απωλειών πάχους 0.35 mm. Ακολούθως σε ένα δεύτερο βήμα σχεδιάζονται και προσομοιώνονται αντίστοιχα μαγνητικά κυκλώματα μηχανών μονίμων μαγνητών κατασκευασμένων από τα δύο προαναφερόμενα υλικά σε εφαρμογή κινητηρίου συστήματος ισχύος 2.5 kW. Αρχικά, πραγματοποιείται βιβλιογραφική επισκόπηση των ιδιοτήτων των σιδηρομαγνητικών υλικών με έμφαση στην ανάλυση των μαγνητικών ιδιοτήτων του άμορφου σιδήρου και των μαγνητικών λαμαρίνων μή κατευθυνόμενων κόκκων υπό το πρίσμα μικροσκοπικής κλίμακας. Στη συνέχεια, επιχειρείται ο ποιοτικός και ποσοτικός προσδιορισμός των απωλειών πυρήνα στα προαναφερόμενα σιδηρομαγνητικά υλικά, μέσω κατάστρωσης των εξισώσεων που περιγράφουν την εξάρτηση των απωλειών από τα χαρακτηριστικά του υλικού και της επιβαλλόμενης διέγερσης.

Ακολουθεί πειραματική καταγραφή των μαγνητικών ιδιοτήτων ενός δοκιμίου υμενίων άμορφου σιδήρου που κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών του Ε.Μ.Π. Για τις μετρήσεις υιοθετείται πειραματική διαδικασία προσδιορισμού των απωλειών πυρήνα σε τοροειδές δοκίμιο, αντίστοιχη με τη μέθοδο Epstein για τις μαγνητικές λαμαρίνες. Τα πειραματικά αποτελέσματα των απωλειών του υλικού αυτού συγκρίνονται με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά μαγνητικής λαμαρίνας Μ235-35A.

Σε ένα δεύτερο βήμα η σύγκριση των δύο υλικών επεκτείνεται σε μαγνητικά κυκλώματα μηχανών μονίμων μαγνητών κατασκευασμένων από τα δύο προαναφερόμενα υλικά. Πιο συγκεκριμένα, σχεδιάζονται και συγκρίνονται δύο ισοδύναμες μηχανές μονίμων μαγνητών που περιλαμβάνουν στο μαγνητικό κύκλωμα του στάτη άμορφο σίδηρο και μαγνητική λαμαρίνα Μ235-35A. Μελετάται διεξοδικά η επίδοση και η απόδοση κάθε μηχανής μέσω πεδιακής ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για ένα ευρύ φάσμα φορτίσεων. Ακόμα, δίνεται έμφαση στη βελτίωση της ακρίβειας της μεθοδολογίας υπολογισμού των απωλειών πυρήνα, αξιοποιώντας την προηγηθείσα ανάλυση.

The present thesis analyses core losses in ferromagnetic materials. More specifically, in a first step the measured core losses of an amorphous iron ribbon test specimen (thickness 25 μm) are compared to those of a low loss ferromagnetic sheet (thickness 0.35 mm). Subsequently, these two materials are used and compared in the design of respective magnetic circuits of permanent magnet motors, intended for a 2.5 kW drive system application.

Firstly, a literature survey has been undertaken concerning the properties of ferromagnetic materials with emphasis on the analysis of amorphous and laminated iron magnetic properties at a microscopic scale. Moreover, a quantitative analysis of core losses in the above mentioned ferromagnetic materials is performed, by elaborating equations describing the dependence of these losses on the material characteristics and the applied excitation.

In addition magnetic properties of an amorphous iron test specimen produced in the Laboratory of Metallurgy of the Faculty of Mining Engineering - Metallurgical Engineering of NTUA, have been measured. The adopted procedures for the measurements in the toroidal amorphous iron specimen, are similar to the Epstein device ones for laminated materials. The amorphous material iron loss experimental results are compared to the low loss steel laminations M235-35A ones.

In a second step, the comparison of the above mentioned two magnetic materials is extended to the design of respective magnetic circuits for permanent magnet motors (PMM). More specifically, two PMM’s implementing in their magnetic circuits amorphous iron and laminations M235-35A are designed and compared. Their performance and efficiency are simulated and compared through field analysis by using the finite element method, under a wide range of loading conditions. Furthermore, special attention is paid to the accuracy improvement of the core losses computation method, by exploiting the previous analysis.