Energie zuinige elektrische motoren gebouwd met amorf materiaal

Jonas Celie Marnix Stie
Wanneer gebruik gemaakt wordt van amorf materiaal in elektrische machines zijn de ijzerverliezen vaak hoger dan verwacht. De effecten van versnijden en uitgloeien van het amorf materiaal worden in dit artikel onderzocht.

Energie zuinige elektrische motoren gebouwd met amorf materiaal

I. Introductie

Amorfe materialen worden gekenmerkt door hun lage ijzerverliezen. Het materiaal kent verschillende toepassingen in vermogen elektronica als sensoren en omvormers alsook in distributie transformatoren. Bij transformatoren is aangetoond dat door Si-staal te vervangen door amorf materiaal de nullastverliezen (verliezen in een motor waarbij geen belasting aangesloten is) 70 % verlagen [1] [2]. De verliezen in een elektrische motor kunnen opgesplitst worden in ijzerverliezen en koperverliezen. Het eerste, de ijzerverliezen zijn afhankelijk van het materiaal waaruit het huis van de motor is opgebouwd, vanaf nu de stator genoemd. De tweede verlies component zijn de koperverliezen, dit zijn de verliezen in de koperen geleiders waar de stroom door vloeit, het gebruik van amorf materiaal gaat hier geen invloed op teweeg brengen. Het amorf materiaal heeft enkele nadelen, het heeft slechts een dikte van 25 micrometer, is extreem bros en hard. Het materiaal is gevoelig aan mechanische spanningen, dit resulteert in een stijging van het ijzerverlies na het vervaardigen [3] [4]. Het materiaal dient correct uitgegloeid (verwarmen in een oven) te worden, dit verbetert de magnetische eigenschappen zoals de verlaging van het ijzerverlies [5]. Een recent onderzoek [3] toont aan dat het ijzerverlies in de motor uit amorf 2 maal lager ligt dan de motor uit Si-staal. Echter geven numerieke berekeningen een verlaging met een factor 3 weer. Dit verschil is waarschijnlijk toe te schrijven aan de vervaardiging van de motor. In dit artikel wordt de degradatie door versnijding van het materiaal onderzocht. Alsook wordt onderzocht of er een mogelijkheid is om deze ongewenste effecten te verminderen of zelf te vermijden, de invloeden van het versnijden met een plaatschaar en laser worden onderzocht. Verder wordt de invloed van een gloeibehandeling onderzocht. Het amorf materiaal dat in dit onderzoek gebruikt wordt is 1K101 geproduceerd door Catech.

II.Eigenschappen Amorf materiaal

In niet uitgegloeide vorm is het materiaal ductiel en eenvoudig te bewerken, na een gloeibehandeling wordt het materiaal extreem bros. Hierdoor is het niet mogelijk het materiaal te bewerken na een gloeibehandeling. Niettemin wordt het aangeraden het materiaal uit te gloeien, de verlaging van de mechanische eigenschappen wegen niet op tegen de verhoogde magnetische eigenschappen en dus de lagere verliezen die worden verkregen. Metglas adviseert gloeien onder een magnetisch veld van 2400 A/m voor 2 uur op 370 °C [7].

 

A.Niet uitgegloeid amorf materiaal

De BH-curve (zoals figuur 1) en de verliezen van niet uitgegloeid materiaal worden gebruikt als referentie, hierdoor kan de verbetering door verschillende gloeibehandelingen aangetoond worden. De materiaaleigenschappen worden weergegeven in tabel I. Figuur 1 toont de BH-curve van amorf materiaal en het materiaal M235-35A. Het niet uitgegloeide materiaal heeft een gelijkaardig gedrag zoals het Si-staal, maar verzadigt op 1.56 T. Het veld aangelegd tijdens de gloeibehandeling is 2400 A/m. De gloeitijd is 2 uur, de temperatuur 350 °C. Zoals figuur 2 aantoont heeft een gloeibehandeling een positieve invloed op de ijzerverliezen.

Tabel I: Materiaal eigenschappenSi-staal vergeleken met uitgegloeid en niet uitgegloeid amorf materiaal

Image removed.

IJzerverliezen van amorf materiaal

III.Invloed door het versnijden van het materiaal

Amorfe materialen zijn gekend voor hun hardheid en degraderen snel door versnijden. Laser- en plaatschaar snijden worden vergeleken, de invloed van deze bewerkingen wordt bepaald met een SST meetopstelling door systematisch het aantal snijranden te verhogen. Zo kan de invloed van het versnijden worden vastgesteld. Volgende monsters zijn getest:

- 1 strip van 50 mm breed;

- 2 strips van 25 mm breed in parallel;

- 6 strips van 10 mm breed in parallel.

Het is belangrijk te vermelden dat door zijn brosheid het niet mogelijk is het materiaal in strips te versnijden na een gloeibehandeling, de gloeibehandeling is dus uitgevoerd na het versnijden van het materiaal

A.Eigenschappen van niet uitgegloeid amorf materiaal

Voor de monsters zonder gloeibehandeling geeft figuur 3 de verliezen weer voor laser gesneden strips, waarbij verwacht wordt dat de smallere strips meer beïnvloed worden door het versnijden. Figuur 4 geeft dezelfde meting weer voor plaatschaar gesneden monsters Figuur 5 en figuur 6 vergelijken beide snijtechnieken, namelijk laser en plaatschaar snijden. Figuur 5 toont aan dat de verliezen bij lasersnijden 30 % hoger zijn i.v.m. plaatschaar gesneden strips. Figuur 6 toont aan dat de geleidbaarheid sterk daalt bij laser gesneden strips.

Verliezen niet uitgegloeid laser gesneden amorf materiaalIJzerverliezen in niet uitgegloeid plaatschaar gesneden amorf materiaal

Image removed.

Verliezen in niet uitgegloeide strips van 10 mm breed

Image removed.

Magnetisatie curve van niet uitgegloeide strips

Image removed.

B.Eigenschappen van uitgegloeid amorf materiaal

 

Voorgaande monsters zijn achteraf uitgegloeid voor 2 uur op 350 °C. Voorgaande meting is herhaald, de resultaten worden weergegeven in figuur 7 en 8. Er kan geconcludeerd worden dat uitgloeien een positieve invloed heeft op mechanische spanningen ontstaan door vervorming bij het versnijden met een plaatschaar. Uitgloeien heeft geen positieve invloed op de thermisch beïnvloede zones ontstaan door het lasersnijden, de temperatuur in deze zones stijgt boven de rekristallisatie temperatuur en verliest zo zijn amorfe eigenschap.

Verliezen in uitgegloeid laser gesneden amorf materiaal

Image removed.

Image removed.

Image removed.

Verliezen in uitgegloeid plaatschaar gesneden amorf materiaal

 

IV.IJzerverlies in een Hoge snelheid motor d.m.v. FEM

Een case studie is uitgevoerd met een hoge snelheid permanent magneet synchrone machine met de stator uit amorf materiaal. De geometrie is weergegeven in figuur 9. De fluxdichtheid bij nullast wordt weergegeven in figuur 10. Het ijzerverlies wordt bepaal d.m.v. het Bertotti Model [8].

Bertotti modelKwartdoorsnede motor Fluxdichtheid motor gebouwd uit amorf materiaal

V.Conclusie

In dit artikel is de degradatie die ontstaat door het versnijden van het materiaal onderzocht. Het is geweten dat uitgloeien de eigenschappen van het materiaal verbetert. Met een plaatschaar wordt het materiaal vervormd waardoor de verliezen stijgen, deze kunnen opnieuw verlaagd worden door het uitvoeren van een gloeibehandeling. Bij lasersnijden wordt het materiaal meer beïnvloed i.v.m. plaatschaar snijden. De optimale manier om amorf materiaal te verwerken is door gebuikt te maken van een plaatschaar of ponsmachine.

 

 

 

 

 

 

 

Bibliografie

[1] Dupré, L. (2015). Elektriciteit.
[2] Gyselinck, J. (2000). Twee-dimensionale dynamische eindige elementenmodellering van statische en roterende elektrische energieomzetters.
[3] Amorf metaal. (1987). 152-154.
[4] Metglas. Geraadpleegd op 25 september 2015 via http://metglas.com.
[5] Ogawa, Y., Naoe, M., Yoshizawa, Y., & Hasegawa, R. (2006, September). Magnetic properties of high Bs Fe-based amorphous material. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 304, nr. 2, pp. 675-677.
[6] Petrakovski, G. (1981, June). Amorphous magnetic materials. Institute of Physics Siberian Branch Academy of Sciences of the USSR Krasnoyarsk, 134, pp. 305-331.
[7] Wang, L., Li, J., Li, S., Zhang, G., & Huang, S. (2011, Februari). Development of the New Energy- Efficient Amorphous Iron Based Electrical Motor. Computer. Distributed Control and Intelligent. Environmental Monitoring, 61 nr. 9, pp. 2059-2061.
[8] Mouhamad, M., Elleau, C., Mazaleyrat, F., Guillaume, C., & Jarry, B. (2011, October). Physicoschemcial and Aging Test of 2605SA1 and 2605HB1 Amorphous Ribbons for Power Applications. IEEE Transactions on Magnetics, 47, nr. 10, pp. 3192-3195.
[9] Metglas. Amorphous Alloys for Transformer Cores. Geraadpleegd op 25 september 2015via http://metglas.com.
[10] Cadogan, J.M., Campbell, S.J., Jing,J. Foley,C.P., Kater,P., & Mai, Y.W. (2014, April) Annealing embrittlement of Fe78Si9B13. Hyperfine Interactions, 226, nr. 1-3, pp. 7-14.
[11] Roman, K., Krysztof, K., Aleksandra, K-B., Marcin,P., Jan, S., & Przemyslaw, Z. (2012, 20 December). Amorphous Soft Magnetic Materials for the stator of a Novel High-Speed PMBLDC Motor. IEEE transactions on magnetics, 49, nr. 4, pp. 1367-1371.
Jonas Celie & Marnix Stie Literatuurlijst 62
[12] Dems, M., & Komeza, K. (2013, 8 Maart). Performance Characteristics of a High-Speed Energy-Saving Induction Motor with an Amorphous Stator Core. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61, nr. 6, pp. 3046-3055.
[13] Okamoto, S., Leki, M., Denis, N., Fujisaki, K., & Kato, Y. (2016, 18 February). Core Loss Reduction of an Interior Permanent Magnet Synchronous Amorphous Stator Core. IEEE Transactions on Industry Applications, 52, nr. 3, pp. 2261-2268.
[14] Nesimi, E., Ryusuke, H.n Wen, L.S., John, G., Stephen, K., & Solmaz, K. (2015, 3 February). A novel tapered rotating electrical machine topology utilizing cut amorphous magnetic material. IEEE transactions on magnetics, 51, nr. 7.
[15] Eggers, D., Steentjes, S., & Hameyer, K. (2012, November). Advanced Iron-Loss Estimation for Nonlinear Material Behavior. IEEE Transactions on Magnetics, 48, nr. 11, pp. 3021-3024
[16] Dems, M., Komeza, K., Wiak, S., & Stec, T. (2004). The highly efficient three-phase small induction motors with stator cores made from amorphous iron. The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 23, nr. 3, pp. 625-632.

Universiteit of Hogeschool
Industrieel ingenieur elektromechanica
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Peter Sergeant
Kernwoorden
Deel deze scriptie