Hysterese en wervelstroomverliezen

Tijdens magnetisatieomkering van magnetische materialen door een wisselend magnetisch veld, gaat een deel van de energie van het magnetische veld dat betrokken is bij de magnetisatieomkering verloren. Een specifiek deel van het vermogen, dat "specifiek magnetisch verlies" wordt genoemd, wordt per eenheid massa van een bepaald magnetisch materiaal in de vorm van warmte gedissipeerd.

Specifieke magnetische verliezen omvatten dynamische verliezen evenals hystereseverliezen. Dynamische verliezen omvatten verliezen veroorzaakt door wervelstromen (geïnduceerd in het materiaal) en magnetische viscositeit (de zogenaamde magnetische nawerking). Verliezen als gevolg van magnetische hysterese worden verklaard door onomkeerbare bewegingen van domeingrenzen.

Elk magnetisch materiaal heeft zijn eigen hysteresisverlies evenredig met de frequentie van het magnetiserende magnetisatieveld, evenals het gebied van de hysteresislus van dit materiaal.

Hysteresis lus:

Om de kracht van verliezen geassocieerd met hysterese in een massa-eenheid (in W / kg) te vinden, wordt de volgende formule gebruikt:

Om hysteresisverliezen te verminderen, nemen meestal het gebruik van dergelijke magnetische materialen, waarvan de dwingende kracht klein is, dat wil zeggen materialen met een dunne hysteresislus. Dergelijk materiaal wordt gegloeid om spanningen in de interne structuur te verlichten, het aantal dislocaties en andere defecten te verminderen en ook de korrel te vergroten.

Wervelstromen veroorzaken ook onomkeerbare verliezen. Ze zijn te wijten aan het feit dat het magnetiserende magnetisatieveld een stroom induceert in het magnetisatiemateriaal. Verliezen respectievelijk veroorzaakt door wervelstromen zijn afhankelijk van de elektrische weerstand van het gemagnetiseerde magnetisatiemateriaal en van de configuratie van het magnetische circuit.

Dus hoe groter de soortelijke weerstand (hoe slechter de geleidbaarheid) van het magnetische materiaal, hoe kleiner de verliezen veroorzaakt door wervelstromen.

Verliezen als gevolg van wervelstromen zijn evenredig met de frequentie van het kwadratisch magnetiserend veld in het kwadraat; daarom zijn magnetische circuits gemaakt van materialen met een hoge elektrische geleidbaarheid niet van toepassing in apparaten die werken met voldoende hoge frequenties.

Gebruik de formule om het vermogen van wervelstroomverliezen voor een eenheid magnetisch materiaal (in W / kg) te schatten:

 

Omdat de verliezen als gevolg van wervelstromen kwantitatief afhankelijk zijn van het kwadraat van de frequentie, moet in de eerste plaats rekening worden gehouden met de verliezen als gevolg van wervelstromen om te werken in het hoogfrequente gebied.

Om deze verliezen te minimaliseren, proberen ze magnetische kernen te gebruiken met een hogere elektrische weerstand.

Om de weerstand te verhogen, worden de kernen samengesteld uit een aantal onderling geïsoleerde vellen ferromagnetisch materiaal met een voldoende hoge intrinsieke elektrische weerstand.

Het gepoederde magnetische materiaal wordt geperst met een diëlektricum zodat deeltjes van het magnetische materiaal van elkaar worden gescheiden door diëlektrische deeltjes. Dus krijg magnetodiëlektrica.

Een andere optie is het gebruik van ferrieten - een speciale ferrimagnetische keramiek, gekenmerkt door een hoge elektrische weerstand, dicht bij de weerstand van diëlektrica en halfgeleiders. In feite zijn ferrieten vaste oplossingen van ijzeroxide met oxiden van sommige tweewaardige metalen, die kunnen worden beschreven met de algemene formule:

 

Met een afname van de dikte van de plaat van metaalachtig materiaal, nemen de verliezen veroorzaakt door wervelstromen dienovereenkomstig af. Maar tegelijkertijd nemen de verliezen als gevolg van hysterese toe, omdat bij het dunner worden van het blad de korrelgrootte ook afneemt, wat betekent dat de dwangkracht toeneemt.

Bijna met toenemende frequentie nemen wervelstroomverliezen meer toe dan hysteresisverliezen, dit kan worden gezien door de eerste twee formules te vergelijken. En met een bepaalde frequentie beginnen wervelstroomverliezen steeds meer te prevaleren boven hystereseverliezen.

Dit betekent dat, hoewel de dikte van het vel afhangt van de werkfrequentie, toch voor elke frequentie een bepaalde dikte van het vel moet worden gekozen waarmee de magnetische verliezen als geheel worden geminimaliseerd.

Typisch hebben magnetische materialen de neiging om de verandering in hun eigen magnetische inductie uit te stellen, afhankelijk van de duur van het magnetisatieveld.

Dit fenomeen veroorzaakt verliezen geassocieerd met magnetische nawerking (of de zogenaamde magnetische viscositeit). Dit komt door de traagheid van het domeinhermagnetisatieproces. Hoe korter de duur van het aangelegde magnetische veld, hoe langer de vertraging, en dus het magnetische verlies veroorzaakt door de "magnetische viscositeit", meer. Met deze factor moet rekening worden gehouden bij het ontwerpen van gepulseerde apparaten met magnetische kernen.

De vermogensverliezen van de magnetische nawerking kunnen niet direct worden berekend, maar ze kunnen indirect worden gevonden - als het verschil tussen de totale specifieke magnetische verliezen en de som van de verliezen als gevolg van wervelstromen en magnetische hysterese:

In het proces van magnetisatieomkering is er dus een kleine vertraging in magnetische inductie ten opzichte van de intensiteit van het magnetiserende magnetisatieveld in fase. De reden hiervoor is opnieuw wervelstromen, die volgens de wet van Lenz veranderingen in magnetische inductie, hysteresisverschijnselen en magnetische nawerking voorkomen.

De fasevertragingshoek wordt de hoek van magnetisch verlies δm genoemd. De kenmerken van de dynamische eigenschappen van magnetische materialen duiden op een dergelijke parameter als de tangens van de magnetische verlieshoek tanδm.

Hier is het equivalente circuit en vectordiagram voor een torusvormige spoel met een kern van magnetisch materiaal, waarbij r1 de equivalente weerstand is van alle magnetische verliezen:

Men ziet dat de tangens van de magnetische verlieshoek omgekeerd evenredig is met de kwaliteitsfactor van de spoel. De inductie Bm die onder deze omstandigheden in het magnetiseerbare materiaal ontstaat, kan in twee componenten worden ontleed: de eerste valt in fase samen met de intensiteit van het magnetisatieveld en de tweede blijft 90 graden achter.

De eerste component is direct gerelateerd aan omkeerbare processen tijdens magnetisatieomkering, de tweede aan onomkeerbare. Gebruikt in AC-circuits, worden magnetische materialen gekenmerkt in verband met deze parameter, zoals complexe magnetische permeabiliteit: