Un nou sistem de măsură a histerezisului magnetic pentru eșantioane din oțel electrotehnic

Un nou sistem de măsură a histerezisului magnetic pentru eșantioane din oțel electrotehnic Valentin PRICOP Coordonatori științifici: Dr.-Ing. Daniel SCHOERLING, Prof. univ. Dr.Ing. Elena HELEREA, Prof. univ. Dr.Ing. Gheorghe SCUTARU Prof. univ.Dr.ing. SeptimiuMotoaşcă

Cuprins Introducere și motivație Cantități specifice Echipament pentru măsurarea histerezisului magnetic Metodologii standard de măsurare Materiale magnetice utilizate pentru circuitul magnetic al electromagneților Un nou dispozitiv pentru măsurarea histerezisului magnetic Sumar Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Introducere Actualmente, în complexul de acceleratoare CERN, sunt instalați aproximativ 5000 de electromagneți cu miez dominant de fier și conducție normală. În anii ce urmează alte câteva sute de tone de asemenea electromagneți vor trebui proiectați și construiți. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Introducere Electromagneții care ghidează particule în complexul de acceleratoare CERN trebuie să îndeplinească un set de cerințe: O distribuție omogenă a câmpului Reproducerea valorii câmpului Valori tipice pentru omogenitatea câmpului sunt câteva unități de, valoare determinată de forma laminaților de oțel și caracteristicile acestora. Reproducerea valorii câmpului trebuie să se facă în plaja câtorva unități de, valoare determinată de condițiile de alimentare și caracteristicile laminațiilor de oțel. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Scop Stabilirea unui model matematic care să descrie procesul de magnetizare, utilizabil în cod de element finit, în funcție de regimul de alimentare a electromagnetului. Acest lucru va permite: • Calcularea funcției de transfer între curent și nivelul de magnetizație în diferite cicluri de alimentare • O proiectare optimală a electromagnetului, pentru o varietate mai mare de regimuri de alimentare, care să țină seama de istoria stării de magnetizare a materialului feromagnetic Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Motivație Timpii de rampă în procesul de magnetizare a electromagneților sunt de ordinul secundelor, de aceea caracterizarea materialelor în regim cvasi-staționar este cea mai relevantă. Pentru metodele de măsură inductive semnalele de valori mici necesită amplificare iar corecția nivelului 0 este dificilă, diferite metode de măsură inductive deseori oferă rezultate diferite[Fiorillo p. 341]. Prin amabilitatea lui Jeremie Bauche Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Caracterizarea materialelor magnetice • Dependența dintre intensitatea câmpului magnetic și polarizația magnetică a materialului este neliniară. • Pentru măsurarea curbelor de histerezis a unui material magnetic este necesar să fie observată variația magnetizației în funcție de intensitatea câmpului magnetic aplicat materialului → ; Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Permeabilitatea magnetică • Permeabilitatea definește relația dintre intensitatea fluxului magnetic și inducția magnetică: • Dependența dintre inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic nu este liniară. • Pentru caracterizarea materialelor magnetice sunt utile diagrame care ilustrează dependențaundeși. • De la un material magnetic se dorește ca permeabilitatea să aibă valoare mare și constantă în plaja de funcționare astfel încât variația funcției de transfer să fie minimă: Unde: este dimensiunea întrefierului, este lungimea circuitului magnetic, este numărul de înfășurări a bobinei, este valoarea curentul electric care străbate bobina. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Descrierea aliajelor fierului din punct de vedere magnetic • Pentru proiectarea electromagneților următoarele informații sunt necesare: • Curba normală de magnetizare • Valoarea permeabilității magnetice • Grafice ce ilustrează dependența: • Grafice pentru forța coercitivă: • Pentru dezvoltarea de modele matematice următoarele informații ar putea fi de folos: • Curba de primă magnetizare • Caracteristica de magnetizare anhisteretică • Ciclu major de magnetizare in diferite forme: ; Procedura pentru măsurarea curbei normale de magnetizare. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Echipament pentru măsurarea curbelor de magnetizare Bobina de excitație • Marea parte a industriei electrotehnice este bazată pe transformatoare și motoare ce funcționează la frecvența de 50 Hz sau mai mare. • Cel mai important parametru sunt pierderile pentru diferite valori ale polarizației magnetice, care nu este relevant pentru electromagneții acceleratoarelor. • Cadrul Epstein este dedicat acestor aplicații. Bobina de măsură Eșantioane Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Echipament pentru măsurarea curbelor de magnetizare Testerul unitolă este echipamentul preferat în mediul industrial. Unele dintre avantajele aduse de acest echipament sunt: • Mai puțin material necesar pentru testare • Posibilitatea de testare a caracteristicilor magnetice localizate • Poate fi implementat pentru testarea on-line Bobină de excitație Jug Bobina de măsură Eșantion Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Echipament pentru măsurarea curbelor de magnetizare Bobine A • Eșantionul sub formă de inel pare a fi un caz aproape ideal pentru determinarea lungimii circuitului magnetic. • Eșantionul este magnetizat uniform de-a lungul lungimii sale dar nu și de-a lungul secțiunii transversale. • Eșantionul poate fi: • Table suprapuse • Bandă bobinată • Pudră magnetică e Eșantion • Unde: • este intensitatea fluxului magnetic • este suprafața secțiunii transversale • este numărul de înfășurări a bobinei secundare • tensiunea indusă în bobina secundară • este intensitatea câmpului magnetic generat de bobina de excitație • este numărul de înfășurări a bobinei de excitație • este lungimea circuitului magnetic • sunt raza exterioară, respectiv interioară a eșantionului [IEC 6040-4] Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Echipament pentru măsurarea curbelor de magnetizare Noul sistem de măsurare propus, încearcă să depășească unele dintre provocările echipamentelor deja existente. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Metodologii pentru măsurarea câmpurilor magnetice • Pentru caracterizarea cvasi-statică a materialelor magnetice prin metode inductive, curbele de magnetizare sunt obținute prin două modalități tipice: • Procedura punct cu punct • Variația liniară a fluxului magnetic • Unde: • este valoarea intensității câmpului magnetic datorat curenților turbionari • este grosimea eșantionului • este conductivitatea electrică • este viteza de variație a intensității fluxului magnetic • [Bertotti p.139] Exemplu de algoritm pentru determinarea curbei de histerezis utilizând procedura punct cu punct. Adaptare din referința [Tumanski] Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Materiale magnetice utilizate pentru circuitul magnetic Pentru electromagneți cu miez de fier și în conducție normală, următoarele materiale magnetice prezintă interes: • Oțel electrotehnic complet prelucrat: • Grăunți Orientați • Grăunți Neorientați • Aliaje de fier și nichel • Aliaje de fier și cobalt Oțel electrotehnic GO Oțel electrotehnic GN Domeniile magnetice în oțel electrotehnic. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Un nou dispozitiv pentru măsurarea histerezisului magnetic - caracteristici • Oferă posibilitatea de caracterizare a materialelor magnetice în funcție de starea inițială de magnetizare. • Oferă flexibilitate pentru generarea formei de undă a ciclului de magnetizare • Măsoară caracteristica de magnetizare cvasi-statică a materialului testat • Cadrul utilizează un singur strat de eșantioane Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– detalii mecanice Cadrul utilizează 5 eșantioane pentru a închide circuitul magnetic: • 3 eșantioane specifice cadrului Epstein de lungime standard (280 mm) • 2 eșantioane de lungimea de 155 mm,separate în plan vertical pentru a crea o fereastră de 1 mm. În această fereastră va fi măsurată inducția magnetică cu ajutorul unei sonde Hall. X Y Z Y X Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– închiderea circuitului magnetic • Adaosul de material de la vârful eșantionului a fost amplasat pentru a preveni saturația [Sumera]. • Proporționalitatea care leagă intensitatea câmpului magnetic măsurată în fereastră de cea din material este determinată astfel: Y X , undeeste grosimea eșantionului Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– raportul de proporționalitate Simulări cu ajutorul metodelor de elemente finite arată că raportul de proporționalitate dintreșieste: Variația factorului de proporționalitate funcție de intensitatea fluxului magnetic este neglijabilă: Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– punctul de măsură Intensitatea fluxului magnetic pe o sferă de rază 0.5 mm centrată în jurul punctului de măsură. Variația intensității fluxului magnetic în punctul de măsură este neglijabilă: Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– bobinele de excitație • Eșantioanele din circuitul magnetic sunt excitate de 5 bobine înseriate. • Bobinele nu au lungimi egale deoarece una dintre ramurile cadrului este separată. • Bobinele din ramura separată trebuie să fie echilibrate cu cele lungi. • Bobinele lungi au următoarele caracteristici: • Număr total de înfășurări: 1000 • Lungimea fizică a bobinei: 180 mm • Intensitatea câmpului magnetic generat: • Bobinele scurte au următoarele caracteristici: • Număr total de înfășurări: 435 • Lungimea fizică a bobinei: 78.3 mm • Intensitatea câmpului magnetic generat: Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– sistemul de măsură – schema bloc Bobină de excitație Sursă de curent controlată în tensiune Senzor Hall Eșantion Schema bloc a sistemului de măsură. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– sistemul de control - caracteristici Caracteristicile sistemului de control: • Forma de undă aeste modulată cu ajutorul unui PC și a NI-6216 DAC. • Controlul curbei de histerezis este implementat software. • Achiziția de date se face cu dispozitive ce îndeplinesc cererea de acuratețe specificată de standardul IEC 60404-4: • Tesla metrul are o acuratețe de 0.25 % pentru plaja de măsură specificată, • Multimetrul are o acuratețe de 0.0035 % pentru plaja de măsură specificată. • Există posibilitatea achiziției sincrone de date prin intermediul NI-6216. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– sistemul de control Forme de undă generate de o sursă de alimentare cu modulare PWM, alimentând o sarcină similară cadrului NORMA: Albastru – tensiunea de referință; Cyan – tensiunea pe bobina de excitație; Magenta – curentul prin bobina de excitație. Forme de undă prelevate când bobina este controlată cu viteză de variație a curentului, di(t)/dt, constantă. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– fluxul de lucru Diagrama bloc pentru fluxul de lucru al unei măsurători. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– avantaje • Măsurarea directă a intensității fluxului magnetic la frecvențe joase. • Sunt măsurate valorile absolute ale intensității fluxului magnetic. • Flexibilitate in generarea formei de undă . • Nu este nevoie de compensare pentru fuga punctului 0, specifică metodelor inductive. • Cu ecranare adecvată cadrul poate face măsurători foarte stabile. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– limitări • Nu pot fi măsurate curbele de magnetizare decât în regim cvasi-staționar datorită efectelor create de curenții turbionari. • Sensibilitate asupra câmpurilor exterioare – pentru o stabilitate crescută cadrul necesită ecranare. • Pentru achiziția de date în mod sincron este nevoie de echipamente îmbunătățite. • Calibrare pretențioasă. Curenții turbionari, formați în planul eșantionului datorită trecerii fluxului magnetic dintr-un eșantion în altul, sunt sursă pentru pierderi adiționale. Acest efect este eliminat prin utilizarea unui circuit magnetic simetric. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Cadrul NORMA– sumar • A fost efectuată analiza comparativă a diferite dispozitive și metodologii. • Au fost identificate limitările metodologiei de măsură. • Algoritmul pentru urmărire curbei de histerezis necesită implementare. • Interfața cu utilizatorul și algoritmul de control necesită muncă suplimentară. • Cadrul necesită probă de acuratețe și repetabilitate. Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Bibliografie • Reistad, D. “Simple expressions to evaluate eddy current effects in laminated magnets.”Geneva : CERN, 1968 • S. Tumanski, “HANDBOOK OF MAGNETIC MEASUREMENTS”, CRC Press, 2011 • Daniel Schoerling, “Design Report ELENA bending magnet prototype”, CERN EDMS, 2013 • FaustoFiorillo, “MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION OF MAGNETIC MATERIALS”, Elsevier Academic Press, 2004 • G. Bertotti and I. Mayergoyz, “The Science of Hysteresis” Vol. III, Elsevier Academic Press, 2006 • SumeraYamin“Electromagnetic design of a wide range permeameter for detailed measurement of hysteresis cycles of ferromagnetic sheets”, CERN, EDMS: 1249556, 2012 Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Mulțumiri • Davide Tommasini pentru că a propus ideea cadrului • Daniel Schoerling, Prof.univ.Dr.Ing. Elena HELEREA șiProf.univ.Dr.Ing. Gheorghe SCUTARU pentru sprijin și îndrumare • John Alistair Baillie și Serge Pittet pentru ajutorul lor în privința surselor de alimentare • Giuseppe Montenero pentru ajutorul său legat de măsurarea histerezisului magnetic • DimitryChechenevpentru proiectarea din punct de vedere mecanic Valentin PRICOP – Universitatea Transilvania din Braşov

Un nou sistem de măsură a histerezisului magnetic pentru eșantioane din oțel electrotehnic