Hysterese und Wirbelstromverluste

Während der Magnetisierungsumkehr magnetischer Materialien durch ein magnetisches Wechselfeld geht ein Teil der Energie des an der Magnetisierungsumkehr beteiligten Magnetfelds verloren. Ein bestimmter Teil der Leistung, der als "spezifischer magnetischer Verlust" bezeichnet wird, wird pro Masseneinheit eines bestimmten magnetischen Materials in Form von Wärme abgeführt.

Spezifische magnetische Verluste umfassen dynamische Verluste sowie Hystereseverluste. Zu den dynamischen Verlusten zählen Verluste, die durch Wirbelströme (im Material induziert) und magnetische Viskosität (sogenannter magnetischer Nacheffekt) verursacht werden. Verluste aufgrund magnetischer Hysterese werden durch irreversible Bewegungen der Domänengrenzen erklärt.

Jedes magnetische Material hat seinen eigenen Hystereseverlust proportional zur Frequenz des magnetisierenden Magnetisierungsfeldes sowie zur Fläche der Hystereseschleife dieses Materials.

Hystereseschleife:

Um die mit der Hysterese verbundene Verlustleistung in einer Masseneinheit (in W / kg) zu ermitteln, wird die folgende Formel verwendet:

Um die Hystereseverluste zu verringern, wird meistens auf die Verwendung solcher magnetischer Materialien zurückgegriffen, deren Koerzitivkraft gering ist, dh Materialien mit einer dünnen Hystereseschleife. Ein solches Material wird geglüht, um Spannungen in der inneren Struktur abzubauen, die Anzahl von Versetzungen und anderen Defekten zu verringern und auch das Korn zu vergrößern.

Wirbelströme verursachen auch irreversible Verluste. Sie sind auf die Tatsache zurückzuführen, dass die magnetisierende Magnetisierung einen Strom innerhalb des Magnetisierungsmaterials induziert. Verluste, die durch Wirbelströme verursacht werden, hängen vom elektrischen Widerstand des magnetisierten Magnetisierungsmaterials und von der Konfiguration des Magnetkreises ab.

Je größer der spezifische Widerstand (je schlechter die Leitfähigkeit) des magnetischen Materials ist, desto geringer sind die Verluste, die durch Wirbelströme verursacht werden.

Verluste aufgrund von Wirbelströmen sind proportional zur Frequenz des magnetisierenden Magnetisierungsfeldes im Quadrat, daher sind Magnetkreise aus Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Geräten, die mit ausreichend hohen Frequenzen arbeiten, nicht anwendbar.

Verwenden Sie die Formel, um die Leistung von Wirbelstromverlusten für eine Masseeinheit magnetischen Materials (in W / kg) abzuschätzen:

Da der Wirbelstromverlust quantitativ vom Quadrat der Frequenz abhängt, muss bei Arbeiten im Hochfrequenzbereich zunächst der Wirbelstromverlust berücksichtigt werden.

Um diese Verluste zu minimieren, versuchen sie, Magnetkerne mit einem höheren elektrischen Widerstand zu verwenden.

Um den Widerstand zu erhöhen, werden die Kerne aus mehreren voneinander isolierten Schichten aus ferromagnetischem Material mit einem ausreichend hohen intrinsischen elektrischen Widerstand zusammengesetzt.

Das pulverförmige magnetische Material wird mit einem Dielektrikum gepresst, so dass Partikel des magnetischen Materials durch dielektrische Partikel voneinander getrennt sind. Holen Sie sich also Magnetodielektrika.

Eine weitere Option ist die Verwendung von Ferriten - einer speziellen ferrimagnetischen Keramik, die sich durch einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand auszeichnet, der dem Widerstand von Dielektrika und Halbleitern nahe kommt. In der Tat sind Ferrite feste Lösungen von Eisenoxid mit Oxiden einiger zweiwertiger Metalle, die durch die verallgemeinerte Formel beschrieben werden können:

Mit abnehmender Dicke des Metallblechs nehmen die durch Wirbelströme verursachten Verluste entsprechend ab. Gleichzeitig nehmen aber auch die mit der Hysterese verbundenen Verluste zu, da mit der Ausdünnung des Blattes auch die Korngröße abnimmt, was bedeutet, dass die Koerzitivkraft zunimmt.

Fast mit zunehmender Häufigkeit nehmen die Wirbelstromverluste stärker zu als die Hystereseverluste. Dies lässt sich am Vergleich der ersten beiden Formeln ablesen. Und ab einer bestimmten Frequenz überwiegen zunehmend Wirbelstromverluste gegenüber Hystereseverlusten.

Dies bedeutet, dass, obwohl die Dicke des Blechs von der Betriebsfrequenz abhängt, für jede Frequenz eine bestimmte Dicke des Blechs ausgewählt werden muss, mit der die magnetischen Verluste insgesamt minimiert werden.

Typischerweise neigen magnetische Materialien dazu, die Änderung ihrer eigenen magnetischen Induktion in Abhängigkeit von der Dauer des Magnetisierungsfeldes zu verzögern.

Dieses Phänomen verursacht Verluste, die mit einem magnetischen Nacheffekt (oder einer sogenannten magnetischen Viskosität) verbunden sind. Dies ist auf die Trägheit des Domänen-Remagnetisierungsprozesses zurückzuführen. Je kürzer die Dauer des angelegten Magnetfeldes ist, desto länger ist die Verzögerung und damit der durch die "magnetische Viskosität" verursachte Magnetverlust. Dieser Faktor muss beim Entwurf gepulster Geräte mit Magnetkernen berücksichtigt werden.

Die Leistungsverluste aus dem magnetischen Nacheffekt können nicht direkt berechnet werden, sondern können indirekt ermittelt werden - als Differenz zwischen den gesamten spezifischen magnetischen Verlusten und der Summe der Verluste aufgrund von Wirbelströmen und magnetischer Hysterese:

Bei der Umkehrung der Magnetisierung tritt also eine leichte Verzögerung der magnetischen Induktion aufgrund der Intensität des magnetisierenden Magnetisierungsfelds in Phase auf. Der Grund dafür sind wiederum Wirbelströme, die nach dem Lenzschen Gesetz Änderungen der magnetischen Induktion, Hysteresephänomene und magnetische Nachwirkungen verhindern.

Der Phasenverzögerungswinkel wird als magnetischer Verlustwinkel δm bezeichnet. Die Eigenschaften der dynamischen Eigenschaften magnetischer Materialien geben einen Parameter wie die Tangente des magnetischen Verlustwinkels tanδm an.

Hier ist das Ersatzschaltbild und das Vektordiagramm für eine Ringspule mit einem Kern aus magnetischem Material, wobei r1 der Ersatzwiderstand aller magnetischen Verluste ist:

Es ist ersichtlich, dass die Tangente des magnetischen Verlustwinkels umgekehrt proportional zum Qualitätsfaktor der Spule ist. Die unter diesen Bedingungen im magnetisierbaren Material auftretende Induktion Bm kann in zwei Komponenten zerlegt werden: Die erste fällt in Phase mit der Intensität des Magnetisierungsfeldes zusammen und die zweite liegt 90 Grad dahinter.

Die erste Komponente steht in direktem Zusammenhang mit reversiblen Prozessen während der Magnetisierungsumkehr, die zweite mit irreversiblen Prozessen. In Wechselstromkreisen werden magnetische Materialien in Verbindung mit diesem Parameter charakterisiert, z. B. komplexe magnetische Permeabilität: