Titelaufnahme

Titel
Ein Hysteresograph zur Charakterisierung weichmagnetischer Materialien / Peter Oser
VerfasserOser, Peter
Begutachter / BegutachterinGrössinger, Roland
Erschienen2008
UmfangVII, 93, XXVII Bl. : Ill., gaph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Magnetismus / Hysterese / weichmagnetisch / LabView / Ferromagnetismus
Schlagwörter (EN)magnetism / hysteresis / soft-magnetic / LabView / ferromagnetism
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-23181 Persistent Identifier (URN)
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Ein Hysteresograph zur Charakterisierung weichmagnetischer Materialien [10.95 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Messung der Hysterese eines magnetischen Materials stellt eine wichtige Methode zu seiner Charakterisierung dar. Damit unterscheidet man wozu ein Werkstoff verwendet werden kann. Eine Hysteresekurve wird durch den Verlauf ihrer Neukurve, durch ihre "Minor loops" sowie durch ihre Kenndaten (Koerzitivfeld, Remanenz) bestimmt. Um solche Hysteresekurven messen zu können, wird ein magnetisches Wechselfeld an die zu untersuchende Probe angelegt. Die zu untersuchende Probe kann "ringförmig", rechteckig (magnetisch geschlossener Kreis) oder aber auch platten- oder stabförmig (magnetisch offener Kreis) sein.

Geräte zur Messung von Hysteresekurven werden allgemein Hysteresographen genannt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es einen Hysteresographen zu entwickeln der geeignet ist die Hysterese weichmagnetischer Materialien möglichst genau zu messen. Der Hysteresograph besteht aus einer "Hardware" (Messkarte, Verstärker, Probe) und aus einer Software. Die Bedienung und der Versuchsablauf erfolgt mit einem unter "Labview" geschriebenen Programm.

Die Hardware des Hysteresographen besteht aus einem PC mit einer Messkarte, dem dazugehörigen Connectorblock und einem Verstärker der ausreichenden Strom zur Feldherstellung in der Primärspule liefert. Mit Hilfe dieser Messapparatur wurden Hysteresemessungen an, mit Kupferdraht bewickelten, Ringkernen aus Eisen, Nickel, Pipelinestählen und verschiedenen Ferriten durchgeführt. Zudem wurden, mittels eines aufgesetzten bewickelten Eisenjochs, auch eine Eisenplatte und danach eine Zugstahlprobe magnetisch untersucht.

An diesen Proben wurden Hysteresekurven als Funktion der Frequenz aufgenommen. Dies ist notwendig um den Einfluss von Wirbelströmen zu erkennen. Außerdem wurden Hysteresemessungen als Funktion des Feldes gemessen ("Minor loops"). Zur Felderzeugung wurde ein dreieckförmiger Strom als Funktion der Zeit verwendet, womit man auch dB/dt-H Kurven messen kann.

Bei den Messungen an metallischen, bewickelten Ringkernen werden Wirbelstromverluste infolge verzerrter Hysteresen und steigender Koerzitivfeldwerte bemerkbar. Um diese Fehler möglichst klein zu halten, wird die Messung der Hysterese mit möglichst niedriger Frequenz durchgeführt. Nach den Messungen an den verschiedenen Ringkernen wurden, mit Hilfe eines bewickelten Metalljochs, Platten untersucht. Bei Jochmessungen wird das Joch auf das zu messende Material aufgesetzt und magnetisiert.

Der magnetische Fluss fließt über das Joch in die untersuchte Platte und magnetisiert diese. Die magnetische Induktion des Werkstoffs wird über eine Pick-up Spule gemessen und damit können ebenfalls Hysteresekurven bestimmt werden. Zwischen Joch und Probe befindet sich leider immer ein Luftspalt, der die Form der Hystereseschleife wesentlich beeinflusst.

Deshalb ist es, zum Unterschied zur Ringkernmethode, in diesem Fall nicht möglich absolute Werte der Hysterese zu bestimmen. Es können nur Relativwerte zu Vergleichszwecken an ähnlichen Platten bestimmt werden. Weiters wurde eine durch einen Zugversuch verformte Stahlplatte untersucht. Hierbei wurde versucht die Verformung mittels Hysteresemessung festzustellen. Aufgrund der sehr unebenen Oberfläche der Zugstahlprobe war dies kaum durchführbar. Es war zwar eine Änderung der Hysteresekurve zu erkennen, diese sollte sich im verformten Teilstück aber viel stärker ändern als es mit der Messung zu erkennen war.

Mithilfe des für die Diplomarbeit entwickelten Hysteresographen ist es möglich Hysteresekurven als Funktion der Frequenz und des ansteigenden magnetischen Feldes absolut, an bewickelten, weichmagnetischen Ringkernen, zu messen. Relativ, zu Vergleichszwecken, kann dies auch an polierten und gereinigten Oberflächen von Stählen, mithilfe eines bewickelten Metalljochs, durchgeführt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The measurement of the hysteresis loop of a magnetic material is an important method for the characterisation. One can distinguish for which purpose a material can be used. A hysteresis loop is determined by its initial curve, by the minor loops as well as by its coercivity and remanence. For measuring a hysteresis loop a magnetic ac-field is applied. The sample can be ring-shaped, frame-shaped (magnetically closed circuit) or a bare (magnetic open circuit). Systems for measuring the hysteresis are called hysteresigraphs or magnetometers.

The aim of this diploma thesis is to develop a hysteresigraph, which is well suited for investigating soft magnetic materials. The hysteresigraph consists of a hardware and a software. The whole experiment is controlled by a program which was written under "Labview" The hardware of the device consists of a PC with a measurement card, a connector block and an amplifier which delivers sufficient current in order to generate the field in a primary coil. With the Hysteresigraph hysteresis loops were measured on rings made of pure iron, nickel, pipeline steel and different ferrite ring cores which were wounded by copper wire. Additionally, plates of iron and drawn steel were investigated magnetically using a softmagnetic Fe-yoke. On these materials hysteresis loops were measured as a function of frequency. This is necessary in order to investigate the influence of eddy currents. Additionally loops with increasing field amplitude were measured (minor loops). In order to produce the field triangular current functions were used, which allows to measure dB/dt-H curves with increasing magnetic field.

If the magnetic field changes with time eddy currents occur in metallic samples. These currents cause losses which influence the shape of the hysteresis curves as well as the coercivity increases with dH/dt. In order to make this effect as small as possible the measurements are performed with the lowest possible frequencies. Then the "true" magnetic physical properties of the materials can be measured.

After the measurements on different ring core shaped samples, plates were investigated using a Fe-yoke. For this purpose the yoke is fixed on the sample and magnetised. The magnetic flux flows over the yoke into in the specimen and magnetises it. Unfortunately there exists a thin air gap between the Fe-yoke and the plate which influences the shape of the loop essentially. The magnetic induction of the material is recorded and hysteresis loops can be measured. However these loops have only relative magnitudes, which can be used to compare materials measured under the same conditions. On a steel plate, which was deformed under well defined conditions, the degree of deformation should be investigated by measuring hysteresis loops. Because of the rough surface of the plate this is nearly impossible. Although there is a change in the shape of the hysteresis loop comparing non-deformed parts with deformed parts of the plate, this difference is not as large as it was expected. With the hysteresigraph, which is developed for this diploma work, hysteresisloops as a function of frequency and increasing magnetic field can be measured on soft magnetic ring shaped samples. In order to compare steels one can measure also with a Fe-yoke on well polished and clean surfaces.