Magnetostriktion von weichmagnetischen Materialien unter rotierender Magnetisierung und mechanischer Belastung

Abstract

Im Bereich der Energietechnik werden f"ur den Bau von Motoren, Generatoren und Transformatoren weichmagnetische Materialien eingesetzt. Waehrend bei Generatoren und Motoren meist magnetisch isotrope Materialien verwendet werden, sind es bei grossen Transformatoren hoch kornorientierte (highly grain oriented - h.g.o.) Materialien. Letztere weisen eine pauschale magnetisch leichte Richtung ("easy" direction) auf, und zwar in Walzrichtung (rolling direction - r.d.), fuer welche die magnetischen Eigenschaften des Materials industriell katalogisiert werden. Durch ein angelegtes Wechselfeld beginnt der Flussdichtevektor B(t) zu oszillieren. Wenn er ueber eine ganze Magnetisierungsperiode entlang der leichten Richtung ausgerichtet ist, spricht man von eindimensionaler bzw. alternierender Magnetisierung (AM). Sofern Komponenten von B(t) auftreten, die aus der leichten Richtung herauszeigen, liegt zweidimensionale bzw. rotierende Magnetisierung (RM) vor. In einem Transformator existieren Regionen (Ecken, Kanten, Ueberlappungsregionen), wo sich B aus der leichten Richtung deutlich herausdreht und somit zweidimensionale Magnetisierungsmuster auftreten. Auch bei Motoren und Generatoren, wo nicht orientierte (non oriented - n.o.) Materialien zum Einsatz kommen, tritt im Bereich des Rueckjochs rotierende Magnetisierung bis hin zu zirkularer auf. Routinemaessig werden weichmagnetische Materialien auf ihre Charakteristika durch normierte Messverfahren ueberprueft. Mit diesen Methoden (Epstein Rahmen, Single Sheet Tester, Single Strip Tester) ist es allerdings nur moeglich AM (und somit eindimensionale Magnetisierung) zu applizieren. Obwohl in den letzten Jahren bereits zahlreiche Varianten von Rotational Single Sheet Testern (RSSTs) entwickelt wurden, die es erlauben, rotierende Magnetisierungsmuster zu erzeugen, beschraenkten sich fast alle bisherigen Untersuchungen auf die Erfassung der Feldgroessen B(t) und H(t) und der mittels der Poynting-Methode daraus direkt ableitbaren totalen Verluste. Im Bereich der Magnetostriktion beschraenkte sich der State of the Art auf eine Arbeit von M. Enokizono zu einem n.o. SiFe Material und auf von A. Hasenzagl vorgenommene Vorarbeiten zur vorliegenden Studie (erste Magnetostriktionsmessungen an h.g.o. SiFe). Ziel dieser Arbeit war es, unter exakt definierten Magnetisierungsmustern die Magnetostriktion verschiedener Typen von Materialien zu erfassen. Die Magnetostriktion #lambda#(#alpha#,t) sollte unter einem 50 Hz Wechselfeld zu jedem beliebigen Zeitpunkt t fuer alle Winkel #alpha# der xy-Probenebene bestimmt werden. International gesehen erstmals sollten dabei auch mechanische Belastungszustaende beruecksichtigt werden. Eine parallel entwickelte Regelung zur Erzeugung definierter Magnetisierungsmuster wurde zur Untersuchung der Magnetostriktion eingesetzt. Mit der durch Software unterstuetzten Regelung ist es moeglich, das Magnetisierungsmuster definiert zu steuern. Ausserdem kann eine vorgegebene (in den meisten Faellen konstante) Winkelgeschwindigkeit von B(t) gewaehrleistet werden. Die Erfassung von B(t) erfolgte dabei mit der Spitzenmethode. Die Messungen von #lambda#(t) wurden mit Dehnmessstreifen in Viertelbrueckenschaltung in drei verschiedenen Richtungen an der Probenoberflaeche vorgenommen. Eine anschliessend durchgefuehrte Fourieranalyse mit Vielfachen von 100 Hz war notwendig, um die speziell bei alterniernder Magnetisierung sehr schwache Magnetostriktion vom Rauschen zu bereinigten und ein verwertbares Signal zu erhalten. Unter Zuhilfenahme des allgemeinen Dehnungstensors der Ebene, der drei unabhaengige Eintraege besitzt, konnte aus den in drei gleichzeitig erfassten Teilresultaten die Magnetostriktion #lambda#(#alpha#,t) fuer beliebige Winkel #alpha# der Ebene zu jedem fixen Zeitpunkt t errechnet werden. Neben den im Transformatoren- und Generatorenbau ueblicherweise verwendeten SiFe-Legierungen wurde auch ein auf Eisen basierendes amorphes Band untersucht. Im Detail wurden die folgenden vier Materialtypen ausgewaehlt: hoch kornorientiertes (h.g.o.) SiFe - ZDKH23 von NSC (Dicke 230#mu#m), kornorientiertes (g.o.) SiFe - 30M5 von NSC (Dicke 300#mu#m), nicht orientiertes (n.o.) SiFe - V330-35AP von EBG Bochum (Dicke 350#mu#m) und amorphes Material METGLAS Magnetic Alloy 2605SA1 von Honeywell (Dicke 30#mu#m). Da in der Praxis die Magnetostriktion Verursacher des bekannten Brummens von Transformatoren ist, wurde erstmals als eigentlich interessierende Groesse die peak-to-peak Magnetostriktion #lambda#_pp ohne Gleichanteil ermittelt und praxisgerecht dargestellt. Es konnte gezeigt werden, dass #lambda#_pp nur vom Verhaeltnis der beiden maximalen Flussdichten B_r.d. in r.d. und B_t.d. in transverse direction (t.d.) abhaengt, d.h. vom Achsenverhaeltnis a=B_t.d./B_r.d.. Eine exakte Definition ueber die Winkelgeschwindigkeit und das zeitliche Magnetisierungsmuster erweist sich - anders als im Falle der Verluste - als nicht notwendig. Fuer orientierte Materialtypen bringt dies Vorteile, da es somit ausreichend ist, in der Praxis tatsaechlich auftretende rhombische Magnetisierungsmuster auszuwerten, womit aufwendige Regelungen entfallen koennen. Bei kornorientierten Materialien zeigten die Messungen, dass der Hauptverursacher fuer eine Erhoehung von #lambda# der Faktor B_t.d. ist, und somit der Wert a. Bei h.g.o. SiFe konnte eine extreme Ueberhoehung von #lambda# in r.d. um zwei Groessenordnungen a=1 gegenueber a=0 (AM) festgestellt werden, bei g.o. SiFe um eine Groessenordnung. Anders verhaelt es sich bei n.o. SiFe und bei amorphen Materialtypen. Hier ist eine primaere Abhaengigkeit der Magnetostriktion von B_r.d. erkennbar. Das Achsenverhaeltnis a spielt nur eine untergeordnete Rolle. Eine Interpretation der magnetostriktiven Eigenschaften des jeweiligen Materialtyps kann ueber den Grad der Orientierung erfolgen. Reduziert man die Beschreibung des Magnetisierungsmusters auf die Groessen a und B_r.d., so zeigt sich, dass die Bedeutung von a mit steigendem Orientierungsgrad zunimmt. Je geringer die Orientierung des Materials ist, desto mehr verliert der Wert von a an Bedeutung "zugunsten" von B_r.d.. Mechanische Beanspruchung des Materials zeigt auf die magnetostriktiven Eigenschaften zusaetzlichen Einfluss. Das kann damit erklaert werden, dass eine Belastung die Besetzungswahrscheinlichkeit der atomaren magnetischen Momente zugunsten der dem externen Feld naechstgelegenen leichten Richtung aendert. Dies fuehrt bei orientiertem SiFe je nach Richtung der Zugbelastung zu verstaerktem bzw. vermindertem Auftreten von Transversaldomaenen. Dementsprechend veraendert sich auch die magnetostriktive Sensitivitaet des Materials bei Aenderung von a bzw. B_t.d.. Orientierte SiFe-Legierungen koennen dabei ihre magnetostriktive Sensitivitaet - je nach Orientierungsgrad und Art des applizierten Magnetisierungsmusters - um bis zu einen Faktor 5 aendern, nicht orientierte Legierungen um bis zu einen Faktor 30. Ergaenzend erfolgte eine Erfassung von in der Praxis tatsaechlich zu erwartenden Magnetisierungsmustern an der Oberflaeche eines 1 x 1 m Modelltransformators. Durch Simulation dieser Magnetisierungsmuster am Rotational Single Sheet Tester konnte die gegenueber alternierender Magnetisierung zu erwartende Ueberhoehung der Magnetostriktion grob abgeschaetzt werden. Signifikante Erhoehungen der Magnetostriktion gegenueber dem nominellen Fall konnten im Bereich der Joche und der T-Verbindung festgestellt werden. Die entsprechenden globalen "Uberh"ohungen ergeben sich zu knapp 20 bzw. 50 Prozent.

Soft magnetic materials are widely used in energy technology for motors, generators and transformer cores. While (magnetic) isotropic materials are used in generators and motors, highly grain oriented (h.g.o.) materials are used for transformer cores. The latter exhibit a magnetic easy direction -- in fact the rolling direction (r.d.) - which classifies the magnetic properties of the material. An applied alternating field causes the magnetization vector B(t) to oscillate. If this vector is aligned with the easy direction for the whole magnetization period, this alternating and one dimensional behavior is called alternating magnetization (AM). Otherwise, if components of B(t) occur, which are pointing out of this direction, two dimensional or rotational magnetization (RM) is observed. In certain regions of transformer cores (edges, overlap regions etc.), the magnetic field vector turns out of the r.d. Two dimensional magnetization patterns arise. Also in the back yoke area of motors and generators, which are applied with non oriented (n.o.) soft magnetic materials, the magnetization vector turns out of the r.d. and RM up to circular magnetization occur. In recent studies the characteristics of different types of soft magnetic materials have been determined using standardized measurement procedures. As disadvantage of these measurement procedures (epstein frame, single sheet tester, single strip tester) is the restriction to AM (and therefore one dimensional magnetization). In recent years various types of rotational single sheet testers (RSSTs) have been developed, which allow to apply rotational magnetization patterns. However, the major part of studies were limited to the detection of the field variables B(t) and H(t) and the resulting total losses using the Poynting method. On the other hand the state of the art for magnetostriction research is restricted to one publication of M. Enokizono for n.o. SiFe and to one preparatory work to this study of A. Hasenzagl (first measurements on h.g.o. SiFe). The aim of this work was to acquire the magnetostriction of different types of materials under exactly defined magnetization patterns and stress states. The magnetostriction #lambda#(#alpha#,t) should be determined by the measurement for an arbitrary instant of time and at any angle #alpha$# of the xy-sample plane under an alternating field of 50 Hz. Also mechanical stress should be taken into account for the first time. A control for generating defined magnetization pattern has been established to determine the magnetostriction. The control - which is strongly supported by software - is able to control the magnetization pattern in a very defined way. Additionally a given (in most case a constant) angle velocity of B(t) can be guaranteed.B(t) was detected by the needle method. The measurements of #lambda#(t) have been arranged with strain gauges connected in a quarter bridge in three different directions of the sample surface. Subsequent to the measurements it was needful to carry out a Fourier analysis with multiples of 100 to receive a clear signal without noise. With the aid of the general strain tensor for a plane, which exhibits three independent entries, the magnetostriction #lambda#(#alpha#,t) of arbitrary angles #alpha# and a fixed instant of time t can be estimated by the three simultaneous measured directions. Additionally to the silicon iron compositions which are typically used for transformer cores and rotating machines, also iron based amorphous alloys have been investigated. In detail the following four materials have been chosen: Highly grain oriented (h.g.o.) SiFe - ZDKH23 from NSC (thickness 230#mu#m), grain oriented (g.o.) SiFe - 30M5 from NSC (thickness 300#mu#m), non-oriented (n.o.) SiFe - V330-35AP from EBG Bochum (thickness 350#mu#m) and amorphous material METGLAS Magnetic Alloy 2605SA1 from Honeywell (thickness 30#mu#m). Because in practice the MS is the origin of the well known noise of transformers the peak-to-peak MS #lambda#_pp without any constant component was measured and represented as interesting measurement category. It could be shown that the dependence of #lambda#_pp is only given by the relation of the maximum magnetization in r.d. B_r.d. and perpendicular to it in transverse direction (t.d.) B_t.d.. Therefore #lambda#_pp can be characterized by the axis ratio a=B_r.d./B_t.d.. An exact definition by the angular velocity and magnetization pattern seems not to be reasonable. Measurements of h.g.o. and g.o. Materials showed, that the main origins for an increasing #lambda#_pp are increasing rates of B_t.d., and therefore the axis ratio a. For the h.g.o. material (ZDKH23) an increase of #lambda#_pp of two orders of magnitude at a=1 related to a=0 (AM) could be detected, for the g.o. 30M5 one order of magnitude. A different behavior shows the n.o. and amorphous material. A prime dependence of the magnetostriction is given with B_r.d.. The axis ratio a acts subsidiary. An effort has been done to interpret the magnestostrictive characteristics of the material type under different magnetization patterns by its grade of orientation. By reducing the determination of a magnetization pattern to the parameters a and B}_r.d., it can be shown, that the influence of a increases with increasing degree of orientation. The lower the orientation of a material the lower the impact of a and the higher the influence of B_r.d.. Mechanical stress to the material affects the magnetostrictive sensitivity additionally. This can be explained by an increase of the occupation probability of the atomic magnetic moments in favor of an easy direction nearest an external field. This leads for oriented SiFe to more or less occurrence of transverse domains depending on the direction of tensile stress. According to this the magnetostrictive sensitivity of the material changes by varying a respectively B_t.d.. Oriented SiFe are able to change their magnetostrictive sensitivity up to a factor 5, not oriented up to a factor of 30 - depending on their degree of orientation and applied magnetization pattern. Additionally an acquisition of expected magnetization patterns as they arise in practice was done on the surface of a 1 x 1 m model transformer core. By a simulation of these magnetization patterns on a Rotational Single Sheet Tester, the excess amplitude of magnetostriction compared to alternating magnetization was roughly estimated. Related to the nominal case a significant increase of the magnetostriction was detected in the yoke sectors and T-joint region. The corresponding increases resulted to 20 resp. 50 percent.