Magnetische Materialien

In der vorstehenden Graphik wird gezeigt, wie diese typischen magnetischen Kennwerte aus der Hysteresekurve eines magnetischen Materials bestimmt werden können.

Je nach ihrem Einsatzgebiet wird das Hauptaugenmerk auf eine oder mehrere der vorgenannten magnetischen Kenngrößen gelegt. Bei einem Transformator beispielsweise sollen gleichzeitig eine hohe magnetische Induktion ebenso wie eine hohe Permeabilität des Kernmaterials vorhanden sein, wobei die Koerzitivfeldstärke und die Ummagnetisierungsverluste möglichst gering sein sollen. Leider gibt es kein weichmagnetisches Material, dass diese Bedingungen erfüllt, so dass ein möglichst guter Kompromiss gesucht werden muss.

Unglücklicherweise sind viele magnetische Kennwerte noch dazu abhängig von der Ummagnetisierungsfrequenz. Deshalb können nicht alle Materialien im selben Frequenzbereich eingesetzt werden.

In der rechten Abbildung ist zu sehen, wie sich die Hystereseschleife bei einer signifikant höheren Ummagnetisierungsfrequenz aufgebläht hat. Die von der Hysteresekurve umschlossene Fläche ist ein Maß für die Größe der Ummagnetisierungsverluste in dem magnetischen Material. Die Animation stellt Messwerte dar, die an kornorientiertem Eisensilizium-Elektroblechen für Großtransformatoren gewonnen wurden. Natürlich gilt eine entsprechende Frequenzabhängigkeit aber auch für andere magnetische Materialien.

Die Zunahme der Ummagnetisierungsverluste wird in der rechten Bildhälfte frequenzabhängig dargestellt. Die Unmmagnetisierungsverluste sind aufgeteilt in die statischen P_h, die klassischen Wirbelstromverluste P_cl und die anomalen Ummagnetisierungsverluste P_an. Die statischen Ummagnetisierungsverluste werden durch Materialeigenschaften wie Versetzungsdichte, Korngröße, Verunreinigungen etc bestimmt. Die klassischen Wirbelstromverluste lassen sich aus den Maxwellschen Gleichungen berechnen und sind abhängig von der Form des induzierten Signals, der Probengeometrie, der magnetischen Polarisation, der Ummagnetisierungsfrequenz und dem elektrischen Widerstand des Magnetmaterials. Die anomalen Unmmagnetisierungsverluste werden durch die Domänenstruktur des Materials bestimmt.

An der Hysteresekurve ist beispielhaft die Koerzitivfeldstärke für den statischen Fall H_stat (die Ummagnetisierungsfrequenz geht gegen 0 Hz) und den dynamischen Fall H(f angegeben. Die Differenz zwischen der dynamischen und der statischen Koerzitivfeldstärke bestimmt das Überschussfeld H_exc(f), das für die Bewegung von Domänenwänden im Material zur Verfügung steht.

Diese magnetischen Eigenschaften messen wir mit einem computergesteuerten digitalen Hysteresemesssystem.

In dem Hysteresemesssystem können bei jeweiliger Anpassung der Spulenpaare an die vorgegebenen Dimensionen Proben unterschiedlicher Abmessungen gemessen werden. Das zu messende Probenmaterial wird in einem Spulensystem positioniert, welches aus einer Aufnehmerspule (Induktionsspule) und einer Feldspule besteht. Ein gleichartiges Kompensationsspulensystem ist dem Messspulensystem antiparallel zugeschaltet. Auf diese Weise wird der Vakuumanteil in der magnetischen Induktion automatisch kompensiert und direkt die magnetische Polarisation gemessen. Ein programmierbarer Frequenzgenerator (WFG) kann beliebige Wellenformen unterschiedlicher Amplituden und Frequenzen bis 15MHz generieren, die von einem linear verstärkenden und programmierbaren Leistungsverstärker als Stromsignal dem Spulensystem zugeführt werden. In den Spulen entsteht ein entsprechend hohes magnetisches Feld. Das Induktionssignal der Aufnehmerspule und das Stromsignal werden über einen Messwiderstand (Shunt) abgegriffenen und jeweils einem Analog–Digital–Wandler (ADC) zugeführt und im RAM zwischengespeichert. Die ADC digitalisieren zeitaufgelöst die Messsignale und sind über einen EC–Bus mit einem auf Z80–Basis arbeitenden Prozessor versehen, der autark arbeitet. Über eine serielle Schnittstelle (RS232) kommuniziert das Hysteresemesssystem mit dem angeschlossenen Computer (PC) mit installierter Auswertesoftware. Mit geeignet bestückten Programmierplatinen des Leistungsverstärkers werden die Formen und der Grad der Verstärkung der Induktionssignale geregelt. Mit dem Computer werden sowohl der Frequenzgenerator (via GPIB) als auch der Z80–Prozessor zur Messung angesteuert, und nach Abschluss der Messungen werden die Daten vom PC übernommen, der mit einer speziellen Software die magnetischen Kennwerte ermittelt und auswertet. Durch eine Optimierung der Spulen kann das Messsystem an unterschiedliche magnetische Materialien und auch Probenformen angepasst werden.

In der vorstehenden Abbildung ist die Permeabilität von zwei Proben aus einem Polypropylen-Eisen-Komposite gezeigt. Im einen Komposit befuinden sich Eisenpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von d=53µm, im anderen Komposit beträgt der mittlere Partikeldurchmesser d=88µm. Die Permeabilität wurde abhängig von der Ummagnetisierungsfrequenz bestimmt.

In weichmagnetischen Eisensilizium werden die magnetischen Eigenschaften dadurch verbessert, dass die Körner im Material orientiert werden; es wird in der Blechebene eine ausgeprägte {110} Textur (Goss-Textur) eingestellt. In Polymeren, die mit weichmagnetischen Partikeln gefüllt sind, können die Partikel in Richtung der magnetisch leichten Achse der Partikel ausgerichtet werden, was ebenfalls zu einer Verbesserung der magnetischen Eigenschaften führt. Im vorstehenden Bild ist zu sehen, wie eine derartige Ausrichtung der magnetischen Partikel zu einer deutlichen Erhöhung der Permeabilität führt.

Eine weitere deutliche Erhöhung der Permeabilität kann dadurch erreicht werden, dass der Anteil des Magnetmaterials im Polymer-Magnet-Komp

In der vorstehenden Graphik ist die Abhängigkeit der Permeabilität vom magnetischen Anteil in einem Polymer zu sehen. Es ist gut zu erkennen, dass erst bei hohen Anteilen an magnetischem Material eine deutliche Verbesserung der Permeabilität erreicht werden kann. Neben den Messwerten, die in der Graphik durch die quadratischen Symbole dargestellt werden, ist eine durch die Messwerte gehende Kurve zu sehen. Diese Kurve wurde anhand theoretischer Überlegungen berechnet und beschreibt in guter Übereinstimmung die experimentellen Werte.

Wenn der Anteil der magnetischen Partikel in einem Polymer gering ist, wird eine hohe magnetische Feldstärke benötigt, um die maximale Permeabilität des Werkstoffs zu erreichen. Mit ansteigendem Gehalt an Magnetmaterial im Polymer reicht eine immer kleinere Feldstärke aus, um die maximale Permeabilität zu erreichen. Dies kann in dem nachstehenden Bild gesehen werden.

In der vorstehenden Graphik ist die Abhängigkeit der Permeabilität vom magnetischen Anteil in einem Polymer zu sehen. Es ist gut zu erkennen, dass erst bei hohen Anteilen an magnetischem Material eine deutliche Verbesserung der Permeabilität erreicht werden kann. Neben den Messwerten, die in der Graphik durch die quadratischen Symbole dargestellt werden, ist eine durch die Messwerte gehende Kurve zu sehen. Diese Kurve wurde anhand theoretischer Überlegungen berechnet und beschreibt in guter Übereinstimmung die experimentellen Werte.

Wenn der Anteil der magnetischen Partikel in einem Polymer gering ist, wird eine hohe magnetische Feldstärke benötigt, um die maximale Permeabilität des Werkstoffs zu erreichen. Mit ansteigendem Gehalt an Magnetmaterial im Polymer reicht eine immer kleinere Feldstärke aus, um die maximale Permeabilität zu erreichen. Dies kann in dem nachstehenden Bild gesehen werden.