Hiszterézis és örvényáram veszteségek

A mágneses anyagok váltakozó mágneses mezővel történő mágnesezése közben a mágneses mező energiájának egy része elveszik, amely a mágnesezés megfordításában részt vesz. Az energia egy meghatározott részét, amelyet „fajlagos mágneses veszteségnek” nevezünk, egy bizonyos mágneses anyag tömegére vonatkoztatva hő formájában eloszlik.

A sajátos mágneses veszteségek magukban foglalják a dinamikus veszteségeket, valamint a hiszterézis veszteségeket. A dinamikus veszteségek magukban foglalják az örvényáramok (az anyagban indukált) és a mágneses viszkozitás (az úgynevezett mágneses utóhatás) által okozott veszteségeket. A mágneses hiszterézis veszteségei a tartományhatárok visszafordíthatatlan mozgásával magyarázhatók.

Minden mágneses anyagnak megvan a maga hiszterézis vesztesége, arányos a mágnesezõ mágnesezõ mezõ gyakoriságával, valamint az anyag hiszterézis hurkjának területével.

Hiszterézis hurok:

A hiszterézissel járó veszteségek tömeg egységében (W / kg) való meghatározásához a következő képletet kell használni:

A hiszterézis veszteségek csökkentése érdekében leggyakrabban ilyen mágneses anyagok használatát kell igénybe venni, amelyek kényszerítő ereje kicsi, vagyis vékony hiszterézis hurokkal rendelkező anyagok. Az ilyen anyagot izzítják, hogy enyhítsék a belső szerkezetben fellépő feszültségeket, csökkentsék az elmozdulások és egyéb hibák számát, valamint megnöveljék a szemcséket.

Az örvényáramok visszafordíthatatlan veszteségeket okoznak. Ennek oka az a tény, hogy a mágnesezõ mágnesezés áramot indukál a mágnesezõ anyag belsejében. Az örvényáramok által okozott veszteség függ a mágnesezett mágnesezési anyag elektromos ellenállásától és a mágneses áramkör konfigurációjától.

Így minél nagyobb a mágneses anyag ellenállása (annál rosszabb a vezetőképessége), annál kisebb az örvényáramok által okozott veszteség.

Az örvényáramok miatt bekövetkező veszteségek arányosak a mágnesezõ mágnesezõ mezõ frekvenciájával, tehát négyzet alakú, ezért a nagy elektromos vezetőképességû anyagból készült mágneses áramkörök nem alkalmazhatók az elég magas frekvencián mûködõ készülékeknél.

Az örvényáram-veszteségek teljesítményének becsléséhez mágneses anyag egységtömegeként (W / kg) a következő képlet segítségével:

 

Mivel az örvényáramok veszteségei mennyiségileg a frekvencia négyzetétől függenek, a magas frekvenciatartományban való működéshez először figyelembe kell venni az örvényáramok veszteségeit.

Ezeknek a veszteségeknek a minimalizálása érdekében megpróbálnak nagyobb elektromos ellenállású mágneses magokat használni.

Az ellenállás növelése érdekében a magokat több egymástól elkülönített ferromágneses anyagból álló lemezből állítják össze, amelyeknek elegendő a belső elektromos ellenállása.

A porított mágneses anyagot dielektrikummal sajtolják úgy, hogy a mágneses anyag részecskéit dielektromos részecskék választják el egymástól. Tehát szerezz magnetodielektrikákat.

Egy másik lehetőség a ferritek használata - egy speciális ferromágneses kerámia, amelyet magas elektromos ellenállás jellemzi, közel az dielektromos és félvezetők ellenállásához. Valójában a ferritek a vas-oxid szilárd oldatai néhány kétértékű fém oxidjával, amelyeket az általános képlettel lehet leírni:

 

A fémlemez vastagságának csökkenésével az örvényáramok által okozott veszteségek ennek megfelelően csökkennek. Ugyanakkor a hiszterézissel járó veszteségek növekednek, mivel a levél elvékonyodásával a szemcseméret is csökken, ami azt jelenti, hogy a kényszererõ növekszik.

Az örvényáram veszteségek szinte a gyakoriság növekedésével több mint hiszterézis veszteségek növekednek, ez az első két képlet összehasonlításával látható. És egy bizonyos frekvencián az örvényáram-veszteségek egyre inkább elsőbbséget élveznek a hiszterézis veszteségekkel szemben.

Ez azt jelenti, hogy bár a lemez vastagsága függ a működési frekvenciától, mindazonáltal minden frekvenciához meg kell választani a lemeznek egy bizonyos vastagságát, amellyel a mágneses veszteségeket összességében minimalizálni lehet.

Általában a mágneses anyagok hajlamosak késleltetni a saját mágneses indukciójuk változását, a mágnesezési mező időtartamától függően.

Ez a jelenség veszteségeket okoz a mágneses utóhatással (vagy úgynevezett mágneses viszkozitással). Ennek oka a domain újragyártási folyamat tehetetlensége. Minél rövidebb az alkalmazott mágneses mező időtartama, annál hosszabb a késleltetés és ennélfogva a "mágneses viszkozitás" által okozott mágneses veszteség. Ezt a tényezőt figyelembe kell venni mágneses maggal működő impulzusos eszközök tervezésekor.

A mágneses utóhatásból származó teljesítményveszteségeket nem lehet közvetlenül kiszámítani, de közvetett módon - a teljes fajlagos mágneses veszteség és az örvényáramok és a mágneses hiszterézis veszteségeinek összege közötti különbségként:

Tehát a mágnesezés megfordításának folyamata során a mágneses indukció enyhén elmarad a mágnesezési mágnesezési mező intenzitásától a fázisban. Ennek oka ismét az örvényáramok, amelyek Lenz törvénye szerint megakadályozzák a mágneses indukció változásait, hiszterézis jelenségeket és a mágneses utóhatásokat.

A fázis késleltetési szöget a mágneses veszteség szögének δm nevezzük. A mágneses anyagok dinamikus tulajdonságainak jellemzői olyan paramétert mutatnak, mint a mágneses veszteség szögének tandenje.

Itt található a mágneses anyaggal ellátott toroid tekercs ekvivalens áramköri és vektor diagramja, ahol r1 az összes mágneses veszteség ekvivalens ellenállása:

Látható, hogy a mágneses veszteségi szög érintője fordítottan arányos a tekercs minőségi tényezőjével. Az ilyen körülmények között a mágnesezhető anyagban fellépő Bm indukció két részre bontható: az első fázisban egybeesik a mágnesezési mező intenzitásával, a második pedig 90 fokkal elmarad.

Az első komponens közvetlenül kapcsolódik a reverzibilis folyamatokhoz a mágnesezés visszafordítása során, a második az irreverzibilis folyamatokhoz kapcsolódik. A váltakozó áramú áramkörökben a mágneses anyagokat e paraméterrel kapcsolatban jellemzik, például a komplex mágneses áteresztőképességgel: