Seria: E LE K TR Y K A z. 176 N r kol. 1500
Tom asz JA N TA 1)
DIELEKTROMAGNETYKI Fe-Cu I MOŻLIWOŚĆ ICH ZASTOSOWANIA NA MAGNETOWÓD WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO
Streszczenie. Celem pracy jest przedstawienie wyników badań właściwości dielektromagnetyków magnetyczno-przewodzących Fe-Cu oraz przeprowadzonej praktycznej weryfikacji możliwości ich zastosowania na magnetowody wirników silników indukcyjnych.
Właściwości dielektromagnetyków zmierzono na znormalizowanych próbkach pierścieniowych.
W celu zastosowania zbadanych dielektromagnetyków Fe-Cu na magnetowód wirnika trójfazowego silnika indukcyjnego małej mocy opracowano i przedstawiono jego technologię. Magnetowód wykonano jako dwuwarstwowy. Warstwa wewnętrzna to magnetycznie miękki walec z dielektromagnetyku Fe, natomiast warstwę zewnętrzną stanowi wyprasowany na tym walcu cylinder z dielektromagnetyku magnetyczno-przewodzącego Fe-Cu. Miedź wprowadzona do mieszanki nie przechodzi w dalszym procesie technologicznym w fazę ciekłą co umożliwia wykonanie zewnętrznej warstwy Fe-Cu o praktycznie dowolnym udziale składników.
Przedstawiono wybrane charakterystyki silnika z wykonanymi wirnikami posiadającymi zewnętrzne pierścienie zwierające oraz bez tych pierścieni.
DIELECTROMAGNETIC MATERIALS Fe-Cu AND THEIR POSSSIBILITY TO BE USED FOR ROTOR CORES OF INDUCTION MOTORS
Sum m ary. The aim of this paper is to present results of tests of magnetic properties of magneto- conductive dielectromagnetics Fe-Cu and practical verification of possibilities to use them for magnetic core of induction motor rotor.
Magnetic properties of the applied dielectromagnetics, including Fe-Cu dielectromagnetics, which were measured on normalized toroidal samples, are presented and described.
To apply measured dielectromagnetics for magnetic core of 3-phase small power induction motor rotor elaborated and presented its technology. The core, made as two layers assembly, was tested as a rotor of a small power 3 phase induction motor. An internal part of the core is made as soft magnetic cylinder.
Its material is dielectromagnetic made of pure iron. An external layer, in form of sleeve, compacted on the internal part, is made of magnetic-conductive (Fe-Cu) dielectromagnetic. Copper applied in this part was not in liquid phase during any stage of processing, what enables manufacture of the external layers with not limited composition of its components.
Chosen parameters and performance characteristics of the motor with rotors of various configurations of short-circuited rings are presented and discussed in the paper as well.
Key w o rd s: electrotechnics, electrical machines, powder metallurgy, dielectromagnetics, magnetic - conductive composites, magnetic properties
1. W S TĘP
W ostatnim okresie zauw ażyć m ożna zwiększone zainteresowanie wielu światowych badaczy pracam i zm ierzającym i do zastosow ania m agnetycznie miękkich kom pozytów proszkowych na m agnetow ody różnego rodzaju urządzeń elektrycznych, a w tym i na magnetowody silników elektrycznych [1, 2, 5], W prezentow anych rozwiązaniach stosow ane są z reguły dielektromagnetyki (kom pozyty proszkowe sklejane dielektrykiem ) posiadające wpraw dzie gorsze, w porównaniu do spieków, takie w łaściw ości ja k indukcja nasycenia czy przenikalność m agnetyczna, lecz, ze w zględu na izolowanie cząstek żelaza zastosow anym dielektrykiem , niższe stratności, w szczególności z prądów wirowych. Z aletą ich je s t również i to, że technologia dielektromagne-
11 Dr inż., Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej 50-372 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19,
tel. 071 320 33 75, tel fax; 071 320 34 67, e-mail: tom@imne.pwr.wroc.pl
146 Janta T.
tyków jest, w porów naniu do spieków, prostsza, ponieważ nie wym aga stosow ania obróbki w w ysokich tem peraturach (rzędu 1150°C).
J e d n ą z istotnych zalet m agnetycznie m iękkich kom pozytów proszkowych je st możliwość wykonania m agnetow odów o kształtach bardzo trudnych lub w ręcz niem ożliwych do w ykonania z blach elektrotechnicznych. Zastosow anie kom pozytów proszkowych pozwala w ię c na w prow adzanie nowych rozw iązań konstrukcyjnych, których rozwój, w przypadku stosow ania blach elektrotechnicznych, został ograniczony m ożliwościam i technologicznym i.
W optym alnie skonstruow anych m aszynach elektrycznych celow ość wym iany m agnetowodów blachow ych na m agnetow ody kom pozytow e bez zm iany konstrukcji silnika (a w tym i kształtu m agnetowodu) je s t znacznie ograniczona, ponieważ w takich przypadkach kom pozyty proszkowe pod w zględem m agnetycznym nie będą stanow ić dla blach poważnej konkurencji. Tym niemniej badania podejm ow ane w tym zakresie [5, 6] m ają swoje uzasadnienie. Zastosow anie kom pozytów proszkowych podyktow ane m oże być bowiem np. w zględam i ekonom icznym i czy też ekologicznym i. Istotne je s t więc, co znajduje odzw ierciedlenie w prezentowanej pracy, wnoszenie nowej w iedzy o w łaściw ościach m ożliwych do wykonania kom pozytów m agnetycznie miękkich, a także badania technologii m agnetowodów.
Praca dotyczy dielektrom agnetyków m agnetyczno-przewodzących wykonanych z mieszanki proszku żelaza i proszku m iedzi (dielektrom agnetyku Fe-Cu). Przeprowadzono pom iary wybranych w łaściw ości tych dielektrom agnetyków oraz w ykonano m agnetow ody w irnika silnika indukcyjnego z ze w n ę trzn ą w a rstw ą Fe-Cu. Z astąpiono blachowy m agnetowód wirnika klatkowego wirnikiem kom pozytow ym bez zm iany je g o kształtu i wym iarów. Praca w tym zakresie dotyczy w ię c głównie opracowania i opanow ania technologii umożliwiającej wykonanie opisanych wcześniej teoretycznie [5, 7] m agnetow odów i sprawdzenia je j rezultatów. Jest to praktyczny przykład zastosow ania prostych technologii w w ytw arzaniu m aszyn elektrycznych.
2. D IELE KTR O M A G N ETY KI M AG N ETYC ZN O -PR ZEW O D ZĄC E Fe-Cu
Dielektrom agnetyki m agnetyczno-przew odzące Fe-Cu s ą kom pozytowym i m ateriałami m agnetycznie m iękkim i, których wprow adzenie do m aszyn elektrycznych znacznie uprościłoby ich technologię.
Istotą w prow adzania kom pozytów m agnetyczno-przewodzących różnych typów, w tym również infiltrow anych [3, 4, 5], je s t dążenie do jednoczesnego spełnienia, przez m agnetow ody z nich wykonane, funkcji m agnetycznej m agnetowodu blachowego oraz funkcji elektrycznej uzwojenia (klatki alum iniowej).
Kom pozyty m agnetyczno-przew odzące m og ą być w ykonane jako infiltrowane wew nętrznie lub zew nętrznie [5], kiedy to w procesie technologicznym infiltrat przechodzi w fazę ciekłą, lub jako m ieszanki proszków m agnetycznych i przewodzących, w których m ateriał przewodzący pozostaje w czasie całego procesu technologicznego w fazie stałej.
Prezentowana praca dotyczy dielektrom agnetyków Fe-Cu wykonanych z m ieszanki proszku m agnetycznego - żelaza i proszku przewodzącego - m iedzi.
2.1. Technologia
Technologia m agnetow odu polega na w prow adzeniu proszku przewodzącego na etapie w ykonyw ania m ieszanki (proszek żelaza, proszek przewodzący i dodatki wynikające z procesu technologicznego: dielektryk, środki poślizgowe itp.). W procesie utwardzania (tem peratura 180°C) dielektrom agnetyków Fe-Cu proszek przewodzący nie przechodzi w fazę ciekłą, co utrudnia wytw orzenie ciągłego szkieletu konduktywnego, tak jak ma to m iejsce przy zastosowaniu infiltracji.
N iew ątpliw ą za le tą zastosow anej technologii je s t jej prostota. Pozwala ona na wykonywanie kom pozytów m agnetyczno-przew odzących o praktycznie dowolnym udziale składników i zastosow anie proszku przewodzącego o dowolnie w ysokiej tem peraturze topnienia. Pom ija się w ięc ograniczenia występujące w procesie wytwarzania m agnetow odów infiltrow anych, czyli np.
wykonania sam odzielnego, porowatego szkieletu m agnetycznie m iękkiego niezbędnego w procesie technologicznym infiltracji zewnętrznej, który, ze w zględu na w ytrzym ałość m echaniczną, istotnie ogranicza m ożliw ą do wprow adzenia ilość infiltratu [3].
2.2. Właściwości
P om iary w łaściw ości dielektrom agnetyków m agnetyczno-przewodzących Fe-Cu przeprowa
dzono na standardow ych do badań m agnetycznych próbkach pierścieniowych o wym iarach
<t>50x<t>60x5 m m. Do wykonania m ieszanki w ykorzystano proszek żelaza o w ielkości cząstek powyżej 75 pm oraz proszek m iedzi o w ielkości cząstek poniżej 71 pm.
Proszek żelaza, w celu rów nom iernego rozłożenia w arstw y dielektryku na cząsteczkach żelaza, m ieszano z żyw icą epoksydow ą (w ilości 0.1% wagowo) na m okro w mieszalniku typu T przez 1 godz., co zapew nia odparow anie rozpuszczalnika. Do tak przygotowanej m ieszanki dodawano proszek m iedzi i m ieszano przez 5 minut. Krótki czas m ieszania z miedzią, określony w dodatkowych badaniach, m iał ograniczyć pokrycie cząstek m iedzi dielektrykiem zapewniając je dnocześnie m ożliw ie rów nom ierne rozłożenie m iedzi w objętości m ieszanki. Tak przygotowaną m ieszankę prasow ano pod ciśnieniem 800 MPa. O trzym ane wypraski utwardzano w temperaturze 180°C przez 1 godzinę.
Zbadano w łaściw ości dielektrom agnetyków niedom leszkowanych (0% Cu) oraz dom ieszkowa
nych m ie dzią (20% Cu, 40% Cu, 60% Cu). Ilość m iedzi to wagow y udział procentowy; przedstawiony je s t on każdorazow o w opisie próbek przy prezentowaniu w yników badań.
Przeprowadzono, m iędzy innymi, pom iary gęstości, rezystywności oraz, za pomocą kom puterow ego system u pom iarowego, pom iary w łaściw ości m agnetycznych łącznie z rozdziałem strat. Zastosow any system pom iarowy pozwala na pom iar w łaściwości m agnetycznych z błędem nie przekraczającym 1%.
Na rysunku 1 przedstaw iono rezystyw ności wykonanych dielektrom agnetyków w zależności od ilości zaw artej w nich m iedzi, natom iast na rysunku 2 ich gęstości.
o 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 30 60 70
W agowy procentow y ud zia ł m iedzi |% 1 Wagowy procentowy udział miedzi [%)
Rys. 1. Zależność rezystywności dielektromagnetyków Rys. 2. Zależność gęstości dielektromagnetyków do- domieszkowanych miedzią w zależności od mieszkowanych miedzią w zależności od
procentowego udziału miedzi procentowego udziału miedzi
Fig. 1. Dependence o f Fe-Cu dielectromagnetic Fig. 2. Dependence of Fe-Cu dielectromagnetic resistivity on percentage content of copper density on percentage content of copper
Z aobserw ow ać m ożna, spodziew ane ze wzrostem dodatku m iedzi, zm niejszenie rezystywności dielektrom agnetyków (ponad dw udziestokrotne) oraz w zrost ich gęstości wynikający z większej gęstości miedzi.
Na rysunku 3 przedstawiono przebiegi krzywej m agnesowania dynamicznego oraz przebiegi w zględnej przenlkalności m agnetycznej w funkcji natężenia pola m agnetycznego w próbkach pierścieniow ych dla różnej, procentowej, zaw artości m iedzi. Rysunek 4 przedstawia zm iany indukcji odpow iadającej natężeniu pola m agnetycznego w ynoszącego 7.5 kA-m' 1 (górna w artość natężenia pola m agnetycznego stosowana podczas pomiarów) oraz m aksym alnej magnetycznej p rzenikalności w zględnej od procentow ego udziału miedzi.
148 Janta T.
• B (0% Cu) o H (20% Cu) □ B (40% Cu) * B (60% Cu)
• f i (O K ) *4 1 (2 0 % ) * f i ( 4 0 K ) *4 1 (6 0 % )
N a tęłen ie pola m agnetycznego [k A -m 'l
Rys.3. Przebiegi krzywych magnesowania dynami
cznego oraz względnej przenikalności magnetycznej dielektromagnetyków Fe-Cu przy różnych ilościach miedzi
Fig. 3. Dynamie magnetizing curves and relative magnetic permeability of Fe-Cu dielectroma
gnetics with different content o f copper
o Indukcja magnetyczna dla H - 7 .5 [kA/mJ
• Przentkalność magnetyczna maksymalna
Wagowy procentow y udział m iedzi [%]
Rys. 4. Zależność indukcji B(7.5 k A m '1) oraz przenikalności maksymalnej w funkcji zawartości miedzi
Fig. 4. Dependence of magnetic induction B(7.5 kA m '1) and maximum relative magnetic permeability on percentage content of copper
Rozdział strat m ocy w dielektro- m agnetykach niedom ieszkowanych (0% Cu) oraz dom ieszkow anych m iedzią w ilości 20%, 40% i 60% przedstawiono na rysunku 5. Z auw ażyć m ożna, że podstaw ow ym i stratam i w ystępującym i w badanych dielektrom agnetykach są straty histerezowe (oznaczenie H). Straty z prądów w irow ych (oznaczenie W ) praktycznie równe są zero. W ynika stąd, że technologia (brak przejścia w fazę ciekłą), zastosow any dielektryk i powstałe pory spowodow ały, iż cząsteczki żelaza s ą zaizolowane, co nie pozwoliło na przepływ w dielektrom agnetykach prądów wirowych.
Z badane dielektrom agnetyki m agnetyczno-przew odzące Fe-Cu wykorzystano do wykonania m agnetow odów w irnika silnika indukcyjnego.
3. B A D AN IA N A M O D ELU RZEC ZYW ISTYM
Do badań w ykorzystano trójfazow y silnik indukcyjny m ałej m ocy, w którym w arstw a zewnętrzna m agnetow odu w irnika w ykonana została z powyżej przedstawionych dielektrom agnetyków Fe-Cu.
Zastosow anie dielektrom agnetyków m iało na celu nie tylko uproszczenie technologii, ale i ograniczenie w m agnetow odzie w irnika prądów w irow ych występujących w m agnetowodach w ykonanych z infiltrow anych spieków m agnetycznie m iękkich [3 ,4 ]. W praw dzie m om ent
o «u a « a s 0.1 t 1.2 1.4
In d u k cja magnetyczna |T ]
Rys. 5. Rozdział strat dielektromagnetyków o różnej ilości miedzi
Fig. 5. Division of losses of Fe-Cu dielectromagnetics with different content of copper
P
* 1
1 1
" I
§ * 4 &
«■
rozruchowy w takim rozwiązaniu m usiał zm aleć, ale liczono na korzyści wynikające ze zm niejszenia strat w rdzeniu w im ika a w ię c i zm niejszenie jego nagrzewania.
3.1. Magnetowód wirnika
M agnetow ód w irnika, przedstawiony na rysunku 6, wykonano jako dwuwarstwowy. O bydwie warstw y to dielektrom agnetyki prasowane pod ciśnieniem 800 MPa. W arstwę w ew nętrzną stanowi walec z tradycyjnego dielektrom agnetyku Fe, a druga, zewnętrzna warstwa to w yprasow any na tym walcu cylinder z dielektrom agnetyku Fe-Cu. Zastosowanie m ieszanki m agnetyczno-przewodzącej pozwoliło na uproszczenie technologii cylindra zewnętrznego. G rubość tego cylindra dobrano tak, że stanow i on połowę w ysokości alum iniowej klatki w irnika silnika fabrycznego. Zachowano w ym iary zew nętrzne fabrycznego m agnetowodu blachowego (a w ięc i grubość szczeliny powietrznej).
Do wykonania cylindrów m agnetyczno- przewodzących zastosow ano dielektrom a
gnetyki z dodatkiem m iedzi w ilości 40% Cu (co ilościowo odpow iada procentowem u udziałowi pow ierzchni żłobków w powierzchni strefy zębowej wirnika fabrycznego) oraz 60%Cu.
W yprasow anie m agnetowodu wirnika w ym agało zastosow ania specjalnej, w ieloczęściow ej form y. M im o złożonej technologii, ze względu na niewystarczające dośw iadczenie, na m agnetowodzie nie w yprasow ano zew nętrznych pierścieni przewodzących, które przylutowano do czół m agnetow odu po osadzeniu go na wale.
W p re z e n to w a n y m ro z w ią z a n iu m a g n e
to w o d u fu n k c ję m a g n e ty c z n ą p e łn i rd zeń Rys. 6. Magnetowód wirnika z warstwą Fe-Cu
m a g n e ty c z n ie m ię k k i o ra z k w a z ic ią g ła s ia tk a Fig. 6. Magnetic core of the rotor with Fe-Cu layer p rz e s trz e n n a c z ą s te c z e k m a g n e ty c z n ie m ię k
k ie g o p ro s z k u ż e la z a c y lin d ra z e w n ę trz n e g o , n a to m ia s t fu n k c ję e le k try c z n ą p rz e w o d z ą c a sia tka p rz e s trz e n n a p ro s z k u m ie d z i. O p ty m a ln e w y k o n a n ie m a g n e to w o d u m a g n e ty c z n o -p rz e w o d z ą c e g o w irn ik a p o w in n o d o p ro w a d z ić nie ty lk o d o p rz e ję c ia p rz e z p rz e w o d z ą c ą sia tkę p rz e s trz e n n ą fu n k cji e le k try c z n e j k la tk i a lu m in io w e j, ale ró w n ie ż do te g o , a b y m o ż liw e b yło zlik w id o w a n ie p ie rś c ie n i z e w n ę trz n y c h . P o z w o liło b y to na s k ró c e n ie m a g n e to w o d u w irn ik a , a w ię c w k o n s e k w e n c ji na z m n ie js z e n ie w y m ia ró w s iln ik a .
3.2. Wyniki badań
W ykonane wirniki, po osadzeniu ich na wale, m ontow ano do tego sam ego stojana silnika indukcyjnego ogólnego zastosow ania typu Sg 56-4A. Silnik w wykonaniu fabrycznym (wirnik blachowy z klatką alum iniową) posiada następujące param etry znamionowe: n=1400 obr/min, p= 0.06 kW, U=220/380 V, /=0.43/0.25 A. Silnik badano na ham ownicy indukcyjnej.
Z m ierzono charakterystyki biegu jałowego, obciążenia i stanu zwarcia silnika z zamontowanymi w irnikam i z zew nętrznym i w arstw am i Fe-Cu. Dla obu zastosow anych ilości m iedzi wykonano badania silnika z dwom a w ariantam i wirników: wirnika bez pierścieni zwierających (w oznaczeniu indeks „0P") oraz z dw om a pierścieniam i (indeks „2P”). Powodem przeprowadzenia badań silnika z w irnikam i bez pierścieni było określenie wpływu pierścieni na w łaściwości silnika. W przypadku w ytw orzenia w części m agnetowodu dom ieszkowanego m iedzią (siatce przewodzącej) w ystarczającej liczby kw aziciągłych pierścieni przewodzących brak pierścieni zwierających powinien być niezauważalny.
Na rysunkach 7+9 przedstaw iono wybrane charakterystyki silników z wirnikam i wykonanym i z dielektrom agnetyków.
150 Janta T.
a 40%Cu, 0P □ 40%Cu, 2P a 60%Cu, OP ■ 60%Cu, 2P
SO 100 ISO 200 230 300 350 400 Napięcie zwarcia (VJ
Rys. 7. Charakterystyki momentu rozruchowego Fig. 7. Characteristics of staring torque
Moc wyjściowa [W|
Rys. 8. Charakterystyki momentu obrotowego Fig. 8. Characteristics of output torque
A 40%Cu, OP a 40%Cu, 2P A 60%Cu, OP ■ 60%Cu, 2P
M oc wyjściowa [W]
Rys. 9. Charakterystyki prędkości obrotowej Fig. 9. Rotational speed characteristics
P aram etry silnika z m agnetowodam i w ykonanym i z przedstawionych dielektro
m agnetyków m agnetyczno-przewodzących Fe-Cu s ą znacznie gorsze niż silnika indukcyjnego z klatkowym wirnikiem biachowym [3] oraz silnika z w irnikiem ze spieku infiltrowanego zewnętrznie [3, 4].
Porównanie w yników badań silnika z w irnikam i bez pierścieni zw ierających oraz z dwom a pierścieniam i wykazują, że przew odność uzyskana w m agnetyczno- przewodzącej części m agnetowodu (siatce przewodzącej) je s t za mata i nie m oże, na obecnym etapie badań, zastąpić nie tylko pierścieni zwierających, ale i aluminiowej klatki silnika fabrycznego.
4. PO D S UM O W ANIE
Próbę zastosow ania dielektrom agnetyków m agnetyczno-przew odzących do w ykonania w irników silnika indukcyjnego m ałej m ocy uzasadniało, m iędzy innymi, znaczne zmniejszenie rezystywności dielektrom agnetyków Fe-Cu w porównaniu do rezystywności dielektromagnetyku niedomieszkowanego.
W yniki badań silnika z w ykonanym i w irnikam i z dielektrom agnetyku z w a rstw ą Fe-Cu wykazały, że je g o param etry, w tym zarów no m om ent rozruchowy, ja k i m oc silnika, są bardzo m ałe. W zrost ilości m iedzi w zew nętrznym cylindrze Fe-Cu korzystniej wpływa na jego param etry niż zwierające pierścienie zewnętrzne, co dowodzi, że przew odność tej warstw y je s t wciąż zbyt mała.
W m agnetow odzie na bazie zastosow anego proszku m iedzi nie w ytw orzono przestrzennej siatki o w ystarczającej przewodności m ogącej zastąpić klatkę alum iniow ą w irnika fabrycznego. M imo że rezystancja dielektrom agnetyku dom ieszkow anego m iedzią zm alała istotnie, to zastosowana technologia nie sprawdziła się. Zaw arty w m ieszance dielektryk oraz powstałe w procesie
technologicznym pory (brak przejścia materiatu przewodzącego w fazę ciekłą) spowodowały w zajem ne odizolow anie zarów no cząsteczek żelaza, ja k i m iedzi zm niejszając tym sam ym przew odność ele ktryczn ą zew nętrznego cylindra Fe-Cu. Potwierdza to przeprowadzony rozdział strat w dielektrom agnetykach Fe-Cu. Podstaw owym i stratam i w ystępującym i w badanych dielektrom agnetykach s ą straty z histerezy, natom iast straty z prądów wirowych s ą praktycznie równe zeru, co w tym przypadku nie je st korzystne.
Dalsze prace zm ierzające do zastosow ania dielektrom agnetyków m agnetyczno-przew odzących na m agnetow ody w irnika silnika indukcyjnego w ym agają poprawy technologii. Należy zastosow ać technologię zap e w n ia jącą w ytw orzenie dielektrom agnetyku o znacznie większej przewodności.
Z astosow anie infiltracji w ew nętrznej, w trakcie której przewodzący infiltrât w procesie utwardzania przechodziłby w fazę c ie k łą powinno doprow adzić do w ytworzenia ciągłej siatki przewodzącej.
W ym aga to je d n a k zastosow ania infiltratu o odpow iednio niskiej tem peraturze topnienia czy też opracow ania dielektryku w ytrzym ującego wyższe tem peratury występujące podczas Infiltracji. Prace nad takim dielektrykiem s ą prowadzone w różnych ośrodkach światowych [2], O bróbka cieplna d ielektrom agnetyków nielnfiltrowanych w tem peraturach w okolicy 600°C powinna prow adzić do korzystnego zm niejszenia strat z histerezy przy zachowaniu m ałych w artości strat z prądów wirowych.
LITE R A T U R A
1. Jack A. G.: Experience with the Use o f Soft M agnetic Com posites in Electrical Machines, International C onference on Electrical M achines, September, 1998, Istanbul, Turkey, pp. 1441-1448.
2. Hodgson S. N. B., A tafirat S., Mascia L., Janta T., W eglinski B.: Dielectrom agnetic Com posites Based on O rganic P o ly m e r-S i02 Hybrids, Conference PRA Coatings Technology, O rganic - Inorganic Hybrids, U niversity o f Surrey, G uildford, UK, 2000, Paper 12, p. 1+10.
3. Janta T.: W p ływ przew odności warstw y infiltrowanej wirnika na w łaściwości ruchowe silnika asynchronicznego, International XII Sym posium on M icrom achines and Servodrlves, M IS'2000, Kam ień Śląski, W ydaw nictw o Książkow e Instytutu Elektrotechniki, W arszawa 2000, Tom I, Vol. I, s. 184+192.
4. Janta T.: Asynchronous M otors with Cage and Com posite Rotors, 34'h International Sym posium on Electrical M achines SM E'98, Lodz, Poland, Z eszyty Naukowe, Elektryka No 92, Politechnika Łódzka, 1998, pp. 97-102.
5. Janta T., Kordecki A., W ęgliński B.: Idea o f M agnetic-C onductive Elem ents fo r Electrical M achines m ade o f Powder Com posites, Third International S cientific and Technical Conference on U nconventional Electrom echanical and Electrical System s 3rt ISTC UEES'97, Aluszta, The Crim ea, Ukraine, 1997, pp. 1125+1130.
6. Janta T., W ęgliński B.: Properties o f M agnetic - Conductive PM Com posites, 1998 Powder M etallurgy W orld C ongress & Exhibition, Granada, Spain, 1998, Vol. 5, pp. 550+555.
7. Węgliński B.: Magnetycznie miękkie kompozyty proszkowe na osnowie żelaza, Prace Naukowe Instytutu Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej, nr 24, seria: monografie nr 5, W rocław 1981.
Recenzent: Dr hab. inż. Zdzisław Zycki Profesor Instytutu Elektrotechniki,W arszawa
W płynęło do Redakcji dnia 28 lutego 2001 r.
152 JantaT.
Abstract
S oft m agnetic com posites are m ore and m ore w idely used as m aterials fo r m agnetic cores of electrical m achines [1, 3+6]. M ore attention is paid to dielectrom agnetics. T he y show worse m agnetic properties, e.q. m agnetic induction or perm eability, than soft m agnetic sinters, but their losses are m ore attractive fo r application to alternating fields.
The presented w ork concerns m agn e tic-co nd u ctive (Fe-Cu) dielectrom agnetics m ade of m ixture o f iron and co p p er powders.
The properties o f dielectrom agnetics w ithout copper (0% Cu), and with adm ixture o f copper (20% Cu, 40% C u, 60% C u) were tested. T he am ount o f copper (by w eight) is given at description of sam ples.
The tests o f dielectrom agnetics w ere carried out on the standard toroidal sam ples. The test results are presented in the follow ing figures: density (Fig. 1), resistivity (Fig. 2), and m agnetic properties (Figs. 3+6). A ll the sam ples w ere com pacted at pressure 800 M Pa and cured at tem perature 180°C during 1 hour.
R otors m ade o f the tested Fe-Cu dielectrom agnetics replaced the original (sheeted) rotor o f an induction m otor. T he y have the sam e shape and dim ensions as the original rotor. Thus, the work concerns m ainly elaboration o f technology which enables m anufacture o f the previously presented solutions o f such m agnetic cores [5, 7].
The cores o f the rotors w ere m ade as a two layer one (Fig. 6). A n internal part o f the core was a soft m agnetic cylinder. Its m aterial was dielectrom agnetic m ade o f pure iron. An external layer, in form o f a sleeve, com pacted on the internal part, was m ade o f m agnetic-conductive (Fe-Cu) dielectrom agnetic. Its thickness was equal a h a lf o f the height o f the original rotor alum inium cage.
The rotors w ere tested in 3-phase sm all pow er induction m otor which nom inal param eters for sheeted rotor are: n= 1400 rpm, P=0.06 kW, 17=220/380 V, /=0.43/0.25 A.
No load, full load, and start characteristics o f the m otor w ith various rotors were tested. For the applied copper am ounts o f 40% and 60 % the rotors w ithout short-circuited rings (index “OP”), and with two rings (index “2P") w ere used. T he aim o f these tests w as to find out th e ir influence on the m otor properties. T he chosen characteristics o f the tested m otor are presented in Figs. 7+9.
The expected decrease in the dielectrom agnetic resistivity and increase in their density, due to increase in the copper am ount w ere observed. T his justified the presented w ork on these rotors.
Both the starting torque and output power o f the m otor are not satisfactory. This w as caused by the m ethod o f the co p p er introduction. In fa ct the used copper was not in liquid phase during any stage o f processing. Thus, it w as not possible to create a spatial net with satisfactory conductance, able to replace the original rotor alum inium cage. Division o f dielectrom agnetics losses, in w hich the eddy current loss is practically equal zero, confirm ed it.
Further w orks the concerning presented m aterials require im provem ent o f th e ir technology.
M aking an o uter Fe-Cu sleeve requires infiltration copper in liquid phase. A n a result the conductive spatial net w ould be created. T his requires application o f conductive m aterials with a suitable low m elting point, and dielectric, th a t w ould be able to withstand tem perature o f such a m elting point.
W orks on such a die le ctric are being perform ed in various research centers [2],
