Histereza i straty wiroprądowe

Podczas odwrócenia magnetyzacji materiałów magnetycznych przez przemienne pole magnetyczne część energii pola magnetycznego zaangażowanego w odwrócenie magnetyzacji jest tracona. Określona część mocy, zwana „specyficzną stratą magnetyczną”, jest rozpraszana na jednostkę masy określonego materiału magnetycznego w postaci ciepła.

Specyficzne straty magnetyczne obejmują straty dynamiczne, a także straty histerezy. Straty dynamiczne obejmują straty spowodowane prądami wirowymi (indukowanymi w materiale) i lepkością magnetyczną (tzw. Efekt magnetyczny). Straty spowodowane histerezą magnetyczną tłumaczy się nieodwracalnymi ruchami granic domen.

Każdy materiał magnetyczny ma swoją własną utratę histerezy proporcjonalną do częstotliwości magnetyzującego pola magnetycznego, a także obszaru pętli histerezy tego materiału.

Pętla histerezy:

Aby znaleźć moc strat związanych z histerezą w jednostce masy (w W / kg), stosuje się następujący wzór:

Aby zmniejszyć straty histerezy, najczęściej należy stosować takie materiały magnetyczne, których siła koercji jest niewielka, to znaczy materiały z cienką pętlą histerezy. Taki materiał jest wyżarzany w celu zmniejszenia naprężeń w strukturze wewnętrznej, zmniejszenia liczby przemieszczeń i innych wad, a także zwiększenia ziarna.

Prądy wirowe powodują również nieodwracalne straty. Wynika to z faktu, że namagnesowanie magnetyzujące indukuje prąd wewnątrz materiału magnesującego. Straty spowodowane odpowiednio prądami wirowymi zależą odpowiednio od rezystancji elektrycznej namagnesowanego materiału magnesującego i od konfiguracji obwodu magnetycznego.

Zatem im większa rezystywność (im gorsza przewodność) materiału magnetycznego, tym mniejsze będą straty spowodowane prądami wirowymi.

Straty wywołane prądami wirowymi są proporcjonalne do częstotliwości kwadratu magnesującego pola magnetycznego do kwadratu, dlatego obwody magnetyczne wykonane z materiałów o wysokiej przewodności elektrycznej nie mają zastosowania w urządzeniach działających na wystarczająco wysokich częstotliwościach.

Aby oszacować moc strat wiroprądowych dla masy jednostkowej materiału magnetycznego (w W / kg), użyj wzoru:

Ponieważ strata prądu wirowego zależy ilościowo od kwadratu częstotliwości, do pracy w obszarze wysokich częstotliwości należy przede wszystkim wziąć pod uwagę stratę prądu wirowego.

Aby zminimalizować te straty, próbują użyć rdzeni magnetycznych o wyższej rezystancji elektrycznej.

W celu zwiększenia rezystancji rdzenie są składane z wielu wzajemnie izolowanych arkuszy materiału ferromagnetycznego o wystarczająco wysokiej wewnętrznej rezystywności elektrycznej.

Sproszkowany materiał magnetyczny jest prasowany dielektrykiem, tak że cząstki materiału magnetycznego są oddzielone od siebie cząstkami dielektrycznymi. Więc zdobądź magnetodielectrics.

Inną opcją jest zastosowanie ferrytów - specjalnej ceramiki ferrimagnetycznej, charakteryzującej się wysoką rezystywnością elektryczną, zbliżoną do rezystancji dielektryków i półprzewodników. W rzeczywistości ferryty są stałymi roztworami tlenku żelaza z tlenkami niektórych metali dwuwartościowych, co można opisać uogólnionym wzorem:

Wraz ze spadkiem grubości blachy materiału metalicznego odpowiednio zmniejszają się straty spowodowane prądami wirowymi. Ale jednocześnie rosną straty związane z histerezą, ponieważ wraz z przerzedzaniem liścia zmniejsza się również wielkość ziarna, co oznacza, że ​​rośnie siła koercyjna.

Niemal wraz ze wzrostem częstotliwości straty wiroprądowe zwiększają się bardziej niż straty histerezowe, można to zaobserwować poprzez porównanie dwóch pierwszych wzorów. A przy określonej częstotliwości straty wiroprądowe zaczynają coraz bardziej dominować nad stratami histerezy.

Oznacza to, że chociaż grubość arkusza zależy od częstotliwości roboczej, to jednak dla każdej częstotliwości należy wybrać określoną grubość arkusza, przy pomocy której zminimalizowane zostaną straty magnetyczne jako całość.

Zwykle materiały magnetyczne opóźniają zmianę własnej indukcji magnetycznej, w zależności od czasu trwania pola magnetycznego.

Zjawisko to powoduje straty związane z efektem magnetycznym (lub tak zwaną lepkością magnetyczną). Wynika to z bezwładności procesu magnesowania domen. Im krótszy jest czas działania przyłożonego pola magnetycznego, tym dłuższe jest opóźnienie, a tym samym strata magnetyczna spowodowana „lepkością magnetyczną”, tym więcej. Czynnik ten należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu urządzeń pulsacyjnych z rdzeniami magnetycznymi.

Straty mocy wynikające z oddziaływania magnetycznego nie mogą być obliczone bezpośrednio, ale można je znaleźć pośrednio - jako różnicę między całkowitymi specyficznymi stratami magnetycznymi a sumą strat spowodowanych prądami wirowymi i histerezą magnetyczną:

Tak więc w procesie odwracania magnetyzacji występuje niewielkie opóźnienie w indukcji magnetycznej od natężenia magnetyzującego pola magnetyzacji w fazie. Powodem tego są ponownie prądy wirowe, które zgodnie z prawem Lenza zapobiegają zmianom indukcji magnetycznej, zjawiskom histerezy i następstwom magnetycznym.

Kąt opóźnienia fazowego nazywany jest kątem strat magnetycznych δm. Charakterystyka właściwości dynamicznych materiałów magnetycznych wskazuje na taki parametr, jak tangens kąta stratności magnetycznej tanδm.

Oto równoważny schemat obwodu i wektora dla cewki toroidalnej z rdzeniem z materiału magnetycznego, gdzie r1 jest równoważną opornością wszystkich strat magnetycznych:

Widać, że styczna kąta strat magnetycznych jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika jakości cewki. Indukcja Bm powstająca w tych warunkach w materiale magnesowalnym może zostać rozbita na dwa składniki: pierwszy zbiega się w fazie z intensywnością pola magnetycznego, a drugi jest opóźniony o 90 stopni za nim.

Pierwszy składnik jest bezpośrednio związany z procesami odwracalnymi podczas odwracania magnetyzacji, drugi z nieodwracalnymi. Materiały magnetyczne stosowane w obwodach prądu przemiennego charakteryzują się w związku z tym parametrem, takim jak złożona przepuszczalność magnetyczna: