Tecnologia de Materiais Elétricos

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1 Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Tecnologia de Materiais Elétricos Aula 7 Materiais magnéticos Material compilado e preparado pelo Prof. Dr. Ruben Barros Godoy Campo Grande/MS Agenda Revisão de conceitos Núcleos Magnéticos ou Compactados Materiais Magnéticos Ferro Ligas de ferro-silício Ímãs permanentes Ligas ferromagnéticas 1

2 Alguns materiais tem a habilidade de magnetização Ferro Níquel Cobalto A magnetização é muito importante em muitas aplicações Por que certos materiais carregam a propriedade de momento magnético? Comportamento Magnético O comportamento magnético é uma característica que acaba diferenciando materiais ferrosos de não ferrosos Isso porque o ferro possui propriedades magnéticas declaradas Isso deu origem ao nome: FERROMAGNETISMO Quantos elétrons ocupam o nível externo de energia dos átomos? além de girarem ao redor do núcleo giram em torno de si (SPIN) 2

3 Os elétrons estão aos pares nos níveis externos de energia Cada elétron girando em torno de si, torna-se um magneto pequeno De modo geral, num elemento o número de elétrons que tem um certo spin é igual ao número de elétrons com spin oposto Porém se os subníveis não estiverem totalmente preenchidos... 3

4 De acordo com a figura anterior os elementos passam a ter momentos magnéticos globais não nulos Os átomos ferromagnéticos adjacentes se alinham mutuamente: Buscam orientação numa mesma direção Um cristal ou grão contém domínios magnéticos Os domínios magnéticos não são superiores a 0,05mm. Material magnético desmagnetizado: Domínio orientados ao acaso 4

5 Se os domínios forem alinhados por um campo magnético torna-se magnético Os domínios alinhados formam efeito aditivo Este efeito pode permanecer ou não após a retirada do campo externo Os materiais que mantém o alinhamento magnético são chamados magnéticos duros Os materiais que não mantém o alinhamento são chamados magnéticos moles Um material geralmente perde sua ordenação quando é recozido ou aquecido 5

6 Curvas de magnetização e histerese Crescimento de domínios cujos momentos magnéticos formam o menor ângulo com a direção do campo Rotação dos momentos magnéticos na direção do campo externo Saturação ocorre quando acaba o processo de crescimento dos domínios e momentos magnéticos estão na direção de H. Curvas de magnetização e histerese (cont.) sem campo campo fraco campo forte saturação 6

7 Curvas de magnetização e histerese (cont.) O processo de magnetização é caracterizado pelas curvas BxH H depende da intensidade da corrente, do comprimento do condutor e posição no espaço B relaciona-se com H através de um índice denominado permeabilidade magnética No vácuo 0 = No ar é pouco maior que no vácuo, mas pode ser considerado o mesmo valor para cálculos Curvas de magnetização e histerese (cont.) A relação: B H Esta relação não é linear porque a não é constante Mais importante que o valor de é curva BxH. Cada material tem sua curva característica Esta curva pode variar para um mesmo material se ele passar por tratamentos térmicos e mecânicos 7

8 Curvas de magnetização e histerese (cont.) Obtenção: Curvas de magnetização e histerese (cont.) Curva fechada laços de histerese: 8

9 Observações sobre as curvas Magnetismo remanescente H=0; também chamado de magnetismo residual Força coercitiva B=0; força magnetizante necessária para anular a indução B Para um material não magnetizado a permeabilidade apresenta certo valor, que, cresce rapidamente é depois decresce Envelhecimento: Propriedades ferromagnéticas variam com o tempo. Necessita-se maior H para produzir B. As perdas aumentam. Ligas Fe-Si são menos susceptíveis que ferro e aço Observações sobre as curvas (cont.) 9

10 Observações sobre as curvas (cont.) Magnetostrição: Variação do volume mediante a variação do estado de magnetização. Provoca vibrações nos materiais. A temperatura aumenta vibração atômica e conseqüente desalinhamento dos átomos. Magnetização máxima: 0K Magnetização mínima: Temperatura Curie Fe 775ºC; Ni 360ºC; Co 1110ºC Observações sobre as curvas (cont.) 10

11 Peculiaridades de cada material Imãs permanentes: Elevada remanência e elevada força coercitiva Para blindar campos fracos: materiais com elevada permeabilidade inicial Para construção de máquinas: Campo de saturação elevado e alta resistividade (diminui perdas de Foucault) Eletroímãs: pequena remanência e pequena força coercitiva Correntes alternadas: ciclo histerético de pequena área Classificação quanto à permeabilidade É costume considerar uma permeabilidade absoluta e uma relativa Relação que definem as permeabilidades:. abs rel A permeabilidade distingue três meios distintos: Ferromagnéticos Paramagnéticos Diamagnéticos 0 11

12 Classificação quanto à permeabilidade Nos meios não ferromagnéticos a permeabilidade relativa se aproxima de 1 Paramagnético pouco superior a 1 Diamagnético pouco inferior a 1 Substâncias paramagnéticas: Metais: Platina, potássio, sódio, alumínio, cromo, manganês Ligas: Contendo cromo, manganês, vanádio ou cobre Gases: Oxigênio, ozônio, óxido azótico Classificação quanto à permeabilidade Substâncias diamagnéticas: Metais: Ouro, prata, mercúrio, cobre, chumbo Substâncias orgânicas 12

13 Perdas por Histerese e Correntes Parasitas De que dependem as perdas por histerese? Da área do ciclo histerético Da freqüência A área depende da máxima indução (B m ) elevada a uma potência que depende do material. Por exemplo: ' 2 Ph K. f. Bm Observe que K depende da qualidade do ferro Perdas por Histerese e Correntes Parasitas As forças eletromotrizes induzidas em massas metálicas produzem correntes elétricas Essas correntes se opõem às variações de fluxo Considerando que o corpo ferromagnético tem resistividade surgem perdas devido estas correntes parasitas Tentativa de Redução destas perdas: NÚCLEOS LAMINADOS Essas perdas também são chamadas perdas de Foucault 13

14 Perdas por Histerese e Correntes Parasitas De que dependem as perdas parasitas? A força eletromotriz induzida é proporcional à espessura da chapa, ao fluxo máximo e à freqüência E as perdas? Dependerão do quadrado das correntes induzidas ou seja: Do quadrado da espessura da chapa, quadrado da densidade máxima do fluxo e quadrado da freqüência P K. d. f. B. V f m K resistividade Tipos de Núcleos Resumindo: Dois tipos de perdas Perdas por histerese Perdas de Foucault Como minimizar cada uma destas perdas? Histeréticas: construindo núcleos com moléculas com maior facilidade de reverter sua posição quando o campo magnético também reverte. Tratamento térmico nas chapas de Fe-Si São chamadas de grão orientado Direção de mais fácil magnetização é paralela a direção de magnetização 14

15 Tipos de Núcleos Como se orientam os grãos? Quando na temperatura de recozimento, é submetido a um campo magnético intenso Geralmente este tratamento dispensa o uso de muito silício, atingindo resultados inclusive melhores Comparando; Não orientados 0,18mm 2,7% de silício perdas a 400Hz em 1,3T = 7,5W/kg Orientados 0,1 3,1% de silício perdas a 400Hz em 1,3T = 2W/kg Tipos de Núcleos Representatividade das perdas histeréticas O PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) tem lutado para que as máquinas tenham menores perdas a vazio Necessidade de melhores chapas Geralmente são 35% das perdas totais do motor Nos EUA este valor varia entre 15% a 20% 15

16 Tipos de Núcleos Minimização das perdas de Foucault Laminação do núcleo Chapas finas e isoladas Aumento da resistividade equivalente São tanto menores quanto maior for a freqüência Espessuras atualmente variam entre 0,35mm e 0,6mm Isolamento entre chapas papel, verniz ou por oxidação Presença de silício aumenta resistividade Tipos de Núcleos Minimização das perdas de Foucault Papel geralmente papel de seda: fino e resistente. Espessuras entre 0,025 a 0,04mm Verniz podem atingir espessuras entre 0,004 a 0,01mm Oxidação usado em trafos pequenos dada a fragilidade. Molham-se as chapas em ácido para ataque do metal 16

17 Tipos de Núcleos Minimização das perdas de Foucault Tipos de Núcleos Minimização das perdas de Foucault Outra solução seria a utilização de pós metálicos com aditivos Aumenta consideravelmente a resistividade, reduzindo as correntes parasitas Dispensam a laminação, podendo atender altas freqüências Limitação técnica e econômica para fabricação Exemplo clássico: FERRITE 17

18 Tipos de Núcleos Obtenção dos núcleos de pó de ferro Aquecimento até temperaturas entre 1/3 e 2/3 da temperatura de fusão Grãos adquirem estado plástico Depois os pós são compactados, conferindo forma e resistência mecânica após resfriamento Limitação: Compactação reduz com a profundidade. Profundidade relaciona-se com volume do núcleo. Volume potência Ferrite Peças de pequeno e médio volume Materiais Magnéticos Materiais magnéticos são usados por duas razões: Permeabilidade elevada, permitindo baixa relutância, ou seja, fluxo apreciável à custa de uma força magnetomotriz relativamente baixa Remanência efeito memória dos acontecimentos ocorridos Os materiais ferromagnéticos mais usados são Ferro, Níquel e Cobalto Não são usados no estado puro, mas na forma de ligas 18

19 Materiais Magnéticos Ligas podem ser classificadas em: Fe-Si baixas perdas e alta permeabilidade Imãs permanentes força coercitiva elevada Ligas para aplicações especiais Materiais Magnéticos Curva de magnetização (comparação) 19

20 Materiais Magnéticos - Ferro Material ferromagnético de boa permeabilidade Ciclo histerético estreito Baixa resistividade correntes parasitas O ferro nunca fica 100% puro. Sempre contém percentuais de outros elementos que afetam suas características Aços são definidos como ligas ferrocarbono. Contém elementos metálicos e não-metálicos que afetam características Materiais Magnéticos Liga Fe-Si Contém até 6,5% de silício Resistividade e propriedades magnéticas dependem de constituição e tratamentos térmicos Adição de silício Aumenta a resistividade Reduz perdas de histerese Reduz envelhecimento 20

21 Materiais Magnéticos Liga Fe-Si A percentagem de silício depende da aplicação Silício encarece e deixa o material mais quebradiço Em transformadores mais silício Em motores percentagens mais baixas Tratamentos adequados (laminação e tratamento térmico) permitem a orientação magnética. Melhora duas vezes a permeabilidade Reduz sensivelmente as perdas de Foucault Materiais Magnéticos Ímãs Permanentes Presença de elevado magnetismo residual Efeito de magnetismo residual por longo tempo Magnetismo residual inalterado por temperatura e por forças mecânicas 21

22 Materiais empregados na fabricação de Ímãs Permanentes Material Aço carbono temperado Aço tungstênio Aço cromo tungstênio cobalto Alnico (12% Co) Vicalloy Composição aproximada Fe-C-Mn Fe-C-Mn-W ,5 5 Fe-C-Cr-W-Co Fe-Al-Ni-Co-Cu Fe-V-Co Força coercitiva (Ae/m) Indução residual Joules/m , , , , Ferrite de Bário 6Fe 2 O 3.BaO , Platina-Cobalto Pt-Co , Manganês-bismuto Mn-Bi , Silmanal Ticonal Ag-Mn-Al Fe-Ti-Co-Ni-Al-Cu , , Materiais Magnéticos Liga Fe-Ni Permeabilidade aumenta com aumento de níquel. Queda abrupta em 30% de níquel. Novo crescimento da permeabilidade até 70% quando ocorre nova queda abrupta. 78,5% Ni. Permalloy desenvolvida nos laboratórios Bell. Alta permeabilidade e baixa perda de histerese. 48% de Ni. Deltamax, Orthonic Alta permeabilidade, laço de histerese retangular na direção de laminação 40% de Ni. Isoperm permeabilidade constante em ampla faixa de fluxo 22

23 Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Tecnologia de Materiais Elétricos Materiais magnéticos FIM 23