ES2298565T3 - Permeametro para medir caracteristicas magneticas a elevadas temperaturas. - Google Patents

Abstract

Herramienta de medición para la medición de las características magnéticas de una muestra magnética en circuito cerrado, que comprende: - un electroimán (1) en disposición de bucle cerrado con dos piezas polares (3) conectadas a una armadura (2), formando dichas piezas polares (3) un intersticio (4) para la colocación de la muestra (5), - una bobina de búsqueda (6) para la medición de la densidad de flujo B de la muestra (5) y - un detector (7) de campo magnético para la medición de la intensidad H de campo magnético en el intersticio (4) entre dichas piezas polares (3), caracterizada porque las piezas polares (3) comprenden elementos de calentamiento (8) para calentar dichas piezas polares (3) a temperaturas de 450ºC como mínimo, las piezas polares (3) están aisladas térmicamente con respecto a la armadura (2) del electroimán (1), y dichas piezas polares (3), la bobina de búsqueda (6) y el detector de campo magnético (7) están realizados en materiales que resisten dichas temperaturas elevadas.

Description

Permeámetro para medir características magnéticas a elevadas temperaturas.

Sector técnico al que pertenece la invención

La presente invención se refiere a una herramienta para la medición de características magnéticas de una muestra magnética en bucle cerrado, comprendiendo un electroimán en disposición de bucle cerrado con dos piezas polares conectadas a una armadura, formando dichas piezas polares una intersticio para la colocación de la muestra, una bobina de búsqueda para la medición de la densidad de flujo B de la muestra y un sensor de campo magnético para la medición de la intensidad del campo magnético H en el intersticio entre dichas piezas polares.

Las herramientas de medición de este tipo se utilizan por ejemplo para medir características magnéticas de imanes de alta potencia. Los resultados de la medición son los valores de la magnetización remanente (B_{r}), coercitividades (H_{CI}, y H_{CB}), producto de energía ((BH)_{max}) y la forma de la curva de histéresis, que indica la homogeneidad de la microestructura del material magnético.

En los últimos cincuenta años se han hecho notables avances -tanto revolucionarios como evolucionarios- en los materiales magnéticos. Los modernos imanes permanentes se han desarrollado a partir de Alnico con un producto de energía máxima (BH)_{max}\sim65 kJ/m^{3} hasta los imanes potentes de tierras raras de SmCo_{5}(1:5) y Sm(Co,Fe,Cu,Zr)_{z}(2:17) con (BH)_{max}\sim240kJ/m^{3} hasta los súper imanes de Nd-Fe-B con (BH)_{max}\sim320 kJ/m^{3}. Todavía nos encontramos lejos del límite teórico que para una aleación rica en Fe-Co corresponde a un valor superior a 800 kJ/m^{3}.

La producción anual global de imanes RE-TM-B y RE-TM-N es actualmente de más de 10.000 toneladas. Las características magnéticas de estos imanes, no obstante se degradan rápidamente al aumentar la temperatura y no se pueden utilizar por encima de 150ºC-180ºC. Desde estas temperaturas hasta más de 300ºC, los imanes Sm(Co,Cu,Fe,Zr)_{z}
son preferibles a los Nd-Fe-B y Sm-Fe-N. Por encima de esa temperatura, no hay materiales disponibles si bien existen importantes aplicaciones potenciales en los campos de la aeronáutica, industria espacial (satélites), electrónica y automóviles (gasolina y eléctricos).

Los avances realizados en nuevas generaciones de materiales magnéticos han permitido una extraordinaria miniaturización de dispositivos en los que el imán era anteriormente una parte principal del volumen y peso del dispositivo. Los imanes permanentes de alta energía son componentes cruciales en la mayor parte de sistemas y subsistemas de alta tecnología, que requieren campos magnéticos grandes y estables en una amplia variedad de condiciones ambientales. Entre los ejemplos se incluyen los tubos de microondas, clistrones, giroscopios y acelerómetros, ruedas de reacción y de momento de fuerzas para controlar y estabilizar satélites, amplificadores magnéticos y cojinetes.

Para estas aplicaciones los materiales es necesario que tengan características magnéticas uniformes y estables en una gama de temperatura de 50ºC a 200ºC. Los imanes de tipo SmCo_{5} y Sm_{2}Co_{17} son ideales para estas aplicaciones a causa de sus elevadas temperaturas de Curie y anisotropías magnetocristalinas, que conducen a bajos coeficientes de temperatura de remanencia (dM_{r}/dT) y de coercitividad (dH_{c}/dT). No obstante, en la actualidad existe la necesidad de imanes permanentes que puedan funcionar a temperaturas mucho más elevadas, hasta 450ºC. Esta ha surgido por el interés por sustituir sistemas hidráulicos en aeronáutica por dispositivos electromecánicos, para desarrollar sistemas tales como conjuntos motor/generador utilizados en aviación integrados con motores de turbina y cojinetes magnéticos híbridos para motores de turbina así como la necesidad de imanes con alto rendimiento a elevada temperatura para vehículos eléctricos. Estos requieren que tanto las características magnéticas como la resistencia mecánica se mejoren a elevada temperatura.

Recientes investigaciones en Estados Unidos han demostrado el potencial de producción de materiales tipo 2:17 (Sm-Co) con un coeficiente de temperatura de coercitividad muy bajo y coercitividad muy elevada de 1 T a 500ºC. Esto representa que el estado de la técnica en términos de mantenimiento de elevada coercitividad a elevada temperatura pero existe un coste, es decir un efecto negativo en la remanencia. Esto deja otras oportunidades para la mejora de características al aumentar adicionalmente la coercitividad y al incrementar la remanencia (y por lo tanto el producto de energía) manteniendo al mismo tiempo la coercitividad a alta temperatura.

La contribución de los imanes permanentes al nivel de nuestras tecnologías y el grado en el que estos pequeños, pero importantes, componentes posibilitan el progreso es difícil de cuantificar. Los imanes son frecuentemente pequeños pero críticos componentes en muchos otros dispositivos. Por esta razón son un factor principal en posibilitar muchas otras tecnologías.

Algunos ejemplos se encuentran en las áreas de transporte. Para conseguir un vehículo de tamaño familiar se requieren muchos componentes que combinan peso reducido, elevadas temperaturas de funcionamiento y rendimiento energético. Un imán de alto rendimiento para utilización a alta temperatura (aplicaciones "bajo el capó") es en la actualidad uno de los componentes clave que todavía tiene que ser desarrollado. Las ventajas con respecto al medioambiente y las ventajas económicas de estos desarrollos son enormes.

Otro problema que surge con el desarrollo de imanes de alta energía para su funcionamiento a elevadas temperaturas es la medición de las características magnéticas de estos imanes a dichas temperaturas elevadas. El desarrollo de materiales para trabajo a altas temperaturas requiere la capacidad de caracterizar estos materiales de modo completo en sus temperaturas de funcionamiento objetivo superiores a 200ºC.

Estado de la técnica

Los permeámetros, es decir dispositivos para medición de las características magnéticas se conocen también como medidores de histéresis o histeresímetros y permeágrafos. Funcionan impulsando el imán alrededor de su bucle de histéresis utilizando un campo aplicado procedente del electroimán. El sistema de medición detecta entonces el campo H aplicado y la respuesta de las muestras al campo aplicado, la magnetización J o la densidad de flujo B. Se pueden medir materiales blandos y duros incluyendo tierras raras. El límite para las tierras raras es el valor de la coercitividad de la muestra. Para muestras que tienen un valor de coercitividad y de saturación adecuados es posible obtener bucles completos, no solamente cuadrantes de la curva de histéresis.

Los permeámetros actualmente conocidos que se encuentran a disposición de subministradores comerciales o existentes dentro de las infraestructuras de investigación no están construidos para determinar características de bucle cerrado de imanes a más de 200ºC. Un permeámetro típicamente conocido es el que se da a conocer en BSI - British Standard: Magnetic materials; BS 6404: Parte 5: 1986, IEC404-5: 1982 (norma inglesa de materiales magnéticos), que comprende un electroimán en una disposición de bucle cerrado con dos piezas polares conectadas a una armadura, cuyas piezas polares constituyen un intersticio para la colocación de la muestra magnética, una bobina de búsqueda para la medición de la densidad de flujo B de la muestra y un sensor de campo magnético para la medición de la intensidad de campo magnético H en el intersticio entre dichas piezas polares.

El objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer una herramienta de medición para la medición no destructiva de las características magnéticas de muestras magnéticas en circuito cerrado hasta 500ºC. La medición es necesaria en particular para la caracterización de una nueva generación de imanes permanentes basada en aleaciones intermetálicas entre tierras raras (RE) y metales de transición (TM) para aplicación en la industria aeronáutica y en la industria espacial.

Descripción de la invención

El objetivo se consigue con la herramienta de medición que se da a conocer en la reivindicación 1. Se indican realizaciones ventajosas de la herramienta de medición en las reivindicaciones dependientes y/o se describen de manera detallada en los siguientes párrafos.

La presente herramienta de medición comprende un electroimán en posición de bucle cerrado con dos piezas polares conectadas a una armadura, formando dichas piezas polares un intersticio para la colocación de la muestra, una bobina de búsqueda para la medición de la densidad de flujo B de la muestra y un sensor de campo magnético para la medición de la intensidad de campo magnético H en el intersticio entre dichas piezas polares. A efectos de conseguir una medición a altas temperaturas las piezas polares comprenden elementos calentadores para calentar las piezas polares a altas temperaturas, de un mínimo de 450ºC, preferentemente hasta 500ºC y están térmicamente aislados con respecto a la armadura del electroimán. Además las piezas polares, la bobina de búsqueda y el sensor de campo magnético están realizados en materiales que resisten dichas elevadas temperaturas.

En una realización preferente de la herramienta de medición, la bobina de búsqueda está realizada a base de dos elementos de bobina planos en una configuración de compensación de J inversa y el detector de campo magnético está realizado también en forma de bobina plana. Todas las bobinas están realizadas utilizando tecnología de película gruesa y están dispuestas sobre un sustrato común. Las piezas polares consisten en una pieza de base para la conexión a la armadura, un cuerpo de pieza polar que forma el circuito magnético cerrado con la muestra, una capa aislante entre la pieza de base y el cuerpo de la pieza polar para reducción de las pérdidas de calor y, como mínimo, un elemento calentador integrado en el cuerpo de la pieza polar.

Para la medición el electroimán está conectado a un subministro de potencia para el electroimán y a una unidad de control para el mismo. La bobina de búsqueda y la bobina para medición de la intensidad de campo electromagnético están conectadas a dos medidores de flujo integrados. Los elementos calentadores de las piezas polares están conectados a un subministro de potencia de control. Un ejemplo para llevar a cabo esta medición se muestra por ejemplo en BSI-British Standard: Magnetic materials; BS 6404: Part 5: 1986, IEC 404-5: 1982 (norma inglesa: materiales magnéticos). Además de este ejemplo, en el presente caso las piezas polares son calentadas por intermedio del subministro de potencia que controla los elementos calentadores a la temperatura de medición deseada.

Realizaciones preferentes

A continuación se describirán realizaciones de la presente herramienta de medición en relación con los dibujos adjuntos en los que:

las figuras 1 a 3 muestran un ejemplo de la fabricación de una bobina de búsqueda de la presente herramienta de medición utilizando tecnología de película gruesa;

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la figura 4 muestra un segundo ejemplo de la disposición de una bobina de búsqueda junto a la bobina para medición de la intensidad de campo magnético de la presente herramienta de medición así como un detalle de las pistas conductoras de la bobina de búsqueda;

la figura 5 muestra una vista esquemática del ECU conectado entre la bobina de búsqueda y el medidor de flujo:

la figura 6 muestra una sección transversal de una realización de una pieza polar de la presente herramienta de medición;

la figura 7 muestra una fotografía de una realización de las dos piezas polares utilizadas en la presente herramienta de medición; y

la figura 8 muestra un ejemplo de la disposición de los componentes de una herramienta de medición según la presente invención.

Un permeámetro de alta temperatura es una herramienta de medición destinada a medir las propiedades de materiales magnéticos en una configuración de bucle cerrado. La medición de la magnetización J(H)=B-\muo\cdotH es crítica para comprobar modernos materiales magnéticos permanentes con elevados campos coercitivos, por ejemplo aleaciones de samario-cobalto, aleaciones de neodimio-hierro-boro y aleaciones de samario-nitruros de hierro. La figura 8 muestra un ejemplo de la disposición de componentes de una herramienta de medición según la presente invención. La herramienta de medición comprende un electroimán (1) en disposición de bucle cerrado con dos piezas polares (3) conectadas a una armadura (2). Las piezas polares (3) forman un intersticio (4) para la colocación de la muestra (5). La herramienta de medición comprende además dos bobinas una de las cuales (6) mide la densidad de flujo B de la muestra (5) y la otra (7) registra la intensidad de campo cerca de la muestra (5). Al conectar las dos bobinas (6), (7) en una configuración diferencial el medidor de flujo es capaz de registrar el valor de B-\muo\cdotH.

El permeámetro de alta temperatura está conectado a un subministro de potencia de un electroimán, a una unidad de control de electroimán, a dos medidores de flujo de integración y un subministro de potencia de control para las piezas polares calentadas. Estos componentes que no se han mostrado en las figuras pueden ser dispuestos separadamente o pueden formar parte de la presente herramienta de medición.

Los medidores de flujo electrónicos son integradores sensibles con baja desviación y elevada resistencia de entrada. La exactitud del medidor de flujo se basa en la desviación ("drift") dado que el error de integración se puede mantener relativamente bajo utilizando un grado elevado de amplitud. Con una desviación, por ejemplo, de 10^{-5} Vs/minuto, un flujo de 10^{4} Vs con una bobina de 100 espiras tendrá un error máximo de 0,1% después de un minuto.

A efectos de desmagnetizar una muestra de alta coercitividad, se necesita un electroimán con un campo suficientemente grande. Los modernos materiales magnéticos pueden tener coercitividades superiores a 3 Tesla, no obstante, un electroimán práctico con un intersticio de 5-10 mm la tendría normalmente de 1,5-2,5 Tesla. El diámetro de las piezas polares (3) debe ser suficiente para permitir un campo completamente uniforme en la zona de la muestra y en el punto en el que se determina la intensidad del campo. Un mínimo práctico para mediciones de muestras (5) con diámetro de 10-15 mm sería un diámetro polar de 75 mm. Las piezas polares calentadas (3) deben encontrarse bien aisladas con respecto al cuerpo principal de la armadura (2) del electroimán a efectos de minimizar las pérdidas de calor y un consumo de potencia innecesariamente grande. El material de aislamiento se debe diseñar para que tenga un efecto mínimo en el campo magnético que pasa desde el cuerpo principal de la armadura (2) a las piezas polares (3). El intersticio de aislamiento no debe ser superior a 7-8 mm. Los calentadores de piezas polares deben recibir suficiente potencia para aumentar la temperatura de la superficie de la pieza polar que se encuentra en contacto con el imán a 400ºC.

La curva J(H) de los imanes permanentes con cualquier sección transversal se puede medir con una bobina compensada J=B - \muo.H y un medidor de flujo con una constante de medición ajustable. La bobina circundante (6) compensada en (J) consiste en dos bobinas parciales (6a), (6b) concéntricas de igual zona de espiras (N_{1} y N_{2}) que están conectadas en oposición de manera que sin una muestra de imán (5) en el campo homogéneo producido por las piezas polares electromagnéticas (3) la bobina (6) no registra flujo. No obstante, con una muestra (5) con una sección transversal (A) se registra un flujo \phi = N_{1}. A. J.

A efectos de medir las características magnéticas de materiales a unos 400ºC, la bobina circundante (6) compensada en (J) y la bobina (7) para medición de la intensidad de campo magnético, junto con cualesquiera elementos necesarios para retener las bobinas en su lugar deben ser capaces de resistir los efectos de la temperatura sin riesgo de cortocircuito de los arrollamientos de las bobinas.

Ejemplo 1

En una primera realización las bobinas (6a), (6b) están diseñadas para funcionar entre temperatura ambiente y 500ºC. Las bobinas están constituidas utilizando una combinación de capas múltiples de capa gruesa y capas aislantes. El soporte de la bobina es un sustrato (10) de alúmina 96% cortado por láser con dimensiones 1,5x50x90 mm. Utilizando una tecnología de serigrafía la primera capa de bobina (6a) de la bobina (6) es aplicada a la superficie del sustrato (10) tal como se puede apreciar en la figura 1.

La capa de la bobina es fabricada con un recubrimiento de capa gruesa de plata-paladio (3:1) y consiste en una espiral arrollada hacia adentro con un diámetro externo de 25 mm y un diámetro interno de 13 mm. La figura 2 muestra a la izquierda el sustrato desnudo (10) y en la derecha el sustrato (10) con la primera capa de bobina (6a).

La etapa siguiente comporta el tratamiento en horno de la capa de bobina (6a) sobre el sustrato (10). El tratamiento inicial en horno es a 150ºC durante 15 minutos; seguido de un tratamiento en horno a alta temperatura a 850ºC durante 30 minutos. Encima de la capa de bobina (6a) se coloca una capa aislante (9). Esta capa (9) es casi completa excepto una pequeña zona de aproximadamente 0,3 mm para permitir la realización de una conexión eléctricamente conductora a través de la capa aislante (9). Esta capa aislante (9) es sometida a continuación a tratamiento en horno a 150ºC durante 15 minutos y 850ºC durante 60 minutos.

Una segunda capa de bobina conductora (6b) es aplicada sobre la capa aislante (9) para completar la bobina (6). A continuación se aplica una capa aislante final (16) para proporcionar aislamiento eléctrico y protección contra choques y ralladuras que la pudieran averiar. La bobina compensadora en (J) inversa y la bobina de medición de la intensidad de campo magnético se aplican de igual manera.

La figura 3 muestra en el lado izquierdo la primera capa aislante (9), en el centro la segunda capa aislante (6b) y en la derecha la capa aislante superior (16).

Ejemplo 2

En una segunda realización la bobina compensadora en (J) inversa (6) y la bobina (7) de medición del campo magnético se elaboran de la misma manera que en el ejemplo 1 pero con una construcción diferente. Las nuevas bobinas tienen una bobina circular (7) en forma de H y bobinas rediseñadas en forma de J (6a), (6b) con un menor número de espiras y mayor separación entre las espiras individuales. La disposición de las bobinas fue también alterada ligeramente para reducir los riesgos de cortocircuitos. El diseño de la nueva bobina (6) en forma de J y una representación de las pistas conductoras se pueden apreciar en la figura 4. La parte de la derecha de la figura 4 muestra una vista de las pistas conductoras de la bobina (6) en forma de J.

La estabilidad de las bobinas fue comprobada repetidamente para una gama de temperaturas de 450ºC a 650ºC. Los resultados de estas pruebas de estabilidad fueron los siguientes:

1

Con el objetivo de reducir los efectos de voltajes inducidos térmicamente y cambios de resistencia a elevada temperatura, se desarrolló una unidad de acondicionamiento electrónico (ECU) 14 que se instalará entre las bobinas (6), (7) y los medidores de flujo (15). Se puede apreciar en la figura 5 una vista esquemática de la unidad ECU 14.

Las piezas polares calentadas (3) consisten en cuatro componentes principales: una pieza de base (11) para conectar a la armadura (2); una capa de aislamiento (13) para reducir pérdidas térmicas; el cuerpo polar (12) que forma el circuito magnético cerrado con la muestra de pruebas (5) y el elemento calentador (8) (figura 6).

Tanto la pieza de base (11) como el cuerpo de pieza polar (12) son redondos y mecanizados a partir de hierro puro. La pieza de aislamiento (13) tiene dimensiones de 100 x 200 mm y un grosor de 6 mm. El material está basado en mica, con una densidad aproximada de 2,2 kg/dm^{3} y una conductividad térmica de 0,26 W/mK. Los dispositivos de calentamiento (8) están realizados a base de alambre de NiCr 8020 con óxido de magnesio puro. Cada uno de los calentadores (8) tiene 12,5 mm de diámetro y 60 mm de longitud (figura 7).

Lista de Signos de Referencia

1

electroimán

2

armadura

3

pieza polar

4

intersticio

5

muestra magnética

6

bobina de búsqueda

6a

elemento de bobina plana

6b

elemento de bobina plana

7

bobina de medición de la intensidad de campo magnético

8

elemento de calentamiento

9

capa aislante

10

sustrato común

11

pieza de base

12

cuerpo de pieza polar

13

capa aislante

14

ECU

15

medidor de flujo

16

capa superior aislante

Claims (10)

1. Herramienta de medición para la medición de las características magnéticas de una muestra magnética en circuito cerrado, que comprende:

-

un electroimán (1) en disposición de bucle cerrado con dos piezas polares (3) conectadas a una armadura (2), formando dichas piezas polares (3) un intersticio (4) para la colocación de la muestra (5),

-

una bobina de búsqueda (6) para la medición de la densidad de flujo B de la muestra (5) y

-

un detector (7) de campo magnético para la medición de la intensidad H de campo magnético en el intersticio (4) entre dichas piezas polares (3),

caracterizada porque las piezas polares (3) comprenden elementos de calentamiento (8) para calentar dichas piezas polares (3) a temperaturas de 450ºC como mínimo, las piezas polares (3) están aisladas térmicamente con respecto a la armadura (2) del electroimán (1), y dichas piezas polares (3), la bobina de búsqueda (6) y el detector de campo magnético (7) están realizados en materiales que resisten dichas temperaturas elevadas.

2. Herramienta de medición, según la reivindicación 1, caracterizada porque la bobina de búsqueda (6) está realizada con utilización de tecnología de capas gruesas ("thick-film").

3. Herramienta de medición, según la reivindicación 2, caracterizada porque la bobina de búsqueda (6) está realizada mediante dos elementos (6a, 6b) de bobina plana, concéntricos, con iguales zonas de espiras dispuestas una encima de la otra y separadas por una capa aislante (9) que tiene una zona a través de la cual están conectados los dos elementos de bobina plana (6a, 6b).

4. Herramienta de medición, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el sensor de campo magnético es una bobina plana (7).

5. Herramienta de medición, según la reivindicación 4, caracterizada porque la bobina (7) del sensor de campo magnético está realizada utilizando tecnología de capas gruesas.

6. Herramienta de medición, según la reivindicación 5, caracterizada porque la bobina (7) del sensor de campo magnético y la bobina de búsqueda (6) están dispuestos sobre un sustrato común (10).

7. Herramienta de medición, según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque cada una de las piezas polares (3) consiste en una pieza de base (11) para la conexión a la armadura (2), un cuerpo de pieza polar (12) que forma el circuito magnético cerrado con la muestra (5), una capa aislante (13) entre la pieza de base (11) y el cuerpo de pieza polar (12) para una reducción de las pérdidas de calor y, como mínimo, un elemento de calentamiento (8) integrado en el cuerpo (12) de la pieza polar.

8. Herramienta de medición, según la reivindicación 7, caracterizada porque la pieza de base (11) y el cuerpo de la pieza polar (12) tienen sección transversal circular y están mecanizadas a partir de hierro puro.

9. Herramienta de medición, según las reivindicaciones 7 u 8, caracterizada porque la capa aislante (13) está realizada en un material basado en mica y tiene una densidad aproximada de 2,2 kg/dm^{3} y una conductividad térmica aproximada de 0,26 W/mK.

10. Herramienta de medición, según la reivindicación 9, caracterizada porque la capa aislante (13) tiene dimensiones laterales de 100 x 200 mm y un grosor de 6 mm.