Что такое потери на гистерезис и вихревые токи
Содержание
Изменение магнитного поля в материале вызывает нежелательные эффекты, такие как потери энергии из-за вихревых токов, которые рассеиваются в виде тепла, а также гистерезисные потери в цикле B-H намагничивания-размагничивания. Последние связаны с необратимыми перемещениями границ доменов.
Кривая намагничивания
Кривая намагниченности материала или магнитная характеристика — это декартово представление значений магнитной индукции B (по ординатам) и магнитного возбуждения H (по абсциссам), как показано на рисунке ниже. Иногда вместо индукции B используется намагниченность M.
Допустим, в ферромагнитном сердечнике трансформатора, если к нему приложить магнитное возбуждение H, возникнет индукция B. Если постепенно увеличивать магнитное возбуждение от нуля (увеличивая интенсивность) и строить кривую намагничивания, то можно увидеть, что индукция пропорциональна H и что участок «Оa» на графике практически прямой. Это происходит потому, что магнитная проницаемость постоянна и высока (чем выше проницаемость, тем более вертикальным будет график в этом разделе).
В точке «a» график перестает быть линейным, т. е., проницаемость перестает быть постоянной. Участок «ab» называется изгибом насыщения. После достижения точки «b» график снова становится линейным. В секции «bc» материал полностью насыщен. Это означает, что при большом увеличении возбуждения не обнаруживаются значительные изменения в индукции B. В этой зоне материал имеет низкую проницаемость (он ведет себя почти как воздух).
На молекулярном уровне в ферромагнитных материалах происходит следующее: когда к ним прикладывается поле, магнитные моменты доменов ориентируются по полю по мере его увеличения (раздел «ab»). После выравнивания с полем достигается насыщение материала («сb») и это означает, что больше нет доменов, которые могут способствовать индукции или намагничиванию материала. По этой причине после насыщения материала значение индукции практически не изменяется.
Для лучшего использования материала (минимальное поперечное сечение) сердечники машин проектируются таким образом, чтобы при номинальных рабочих значениях они работали вблизи начала точки «a» (изгиб насыщения).
Цикл гистерезиса
В предыдущем разделе объяснялось, что происходит, когда магнитное поле прикладывается к материалу. Но что произойдет, если мы будем последовательно увеличивать и уменьшать это поле циклическим образом?
В ферромагнитном материале было замечено, что при снятии приложенного поля он не возвращается в исходное состояние, так как сохраняет остаточный магнетизм. Если, начиная с точки «c» на рисунке, уменьшать значение возбуждения до тех пор, пока оно не исчезнет, то можно увидеть, что новый график не будет совпадать с исходным. Видно, что при отсутствии возбуждения (H=0) значение индукции не принимает нулевого значения, а задается значением участка «OD» в ординатах. Эта величина известна как остаточный магнетизм.
Остаточный магнетизм обусловлен магнитными моментами доменов материала, которые не возвращаются в исходное состояние после снятия приложенного поля, а остаются частично ориентированными. Все ферромагнитные материалы обладают определенной степенью остаточного магнетизма, что имеет особое значение при использовании в электрических машинах.
Если теперь продолжить уменьшать значение H (в обратном направлении), то возникнет состояние, определяемое точкой E. В этот момент оставшийся магнетизм аннулируется, для чего необходимо приложить возбуждающую или магнитодвижущую силу (м. д. с.) величиной EO. Данная величина называется принудительной силой. Если возбуждение отменить, материал размагнитится (чистая сумма моментов материальных доменов будет равна нулю).
Если вместо отмены возбуждения, продолжать его увеличивать, то возникает поле, обратное предыдущему и с отрицательными значениями индукции B. Увеличение показателей поля дает такой же эффект, как описано выше. На первом участке при небольшом увеличении H происходит существенное увеличение B. Этот участок сохраняется до тех пор, пока снова не будет достигнут изгиб насыщения, а затем достигается насыщение материала в точке F.
Если модуль магнитного возбуждения снова уменьшить до нуля, то опять появится остаточный магнетизм OG аналогично OD, полученному выше, но в противоположном направлении.
Теперь при увеличении возбуждения достигается точка I, где при возбуждении OI материал снова размагничивается.
Наконец, при дальнейшем увеличении возбуждения график возвращается в точку насыщения С, в которой цикл замыкается. Таким образом, получается полная магнитная характеристика, которая называется циклом магнитного гистерезиса.
Такой цикл гистерезиса получается, например, в сердечнике трансформаторов, поскольку они работают при синусоидальном возбуждении (синусоидальные значения напряжения и тока).
Следует отметить, что один и тот же материал может иметь несколько циклов гистерезиса в зависимости от величины максимального и минимального приложенного возбуждения. Цикл магнитного гистерезиса тесно связан с доменной структурой, присутствующей в материале.
Намагниченность насыщения определяется исключительно исследуемым магнитным материалом. Такие параметры, как остаточная намагниченность или коэрцитивное поле, зависят не только от материала, но и от его микроструктуры, размера зерна, наличия дефектов и их связи с магнитными доменами. В соответствии с циклом гистерезиса материалы можно классифицировать на твердомагнитные и мягкие.
Твердомагнитные материалы
Твердомагнитные материалы характеризуются высокой коэрцитивной силой Hc и высокой остаточной магнитной индукцией Br, поэтому циклы гистерезиса этих материалов широкие и высокие. Такие материалы, однажды намагнитившиеся, трудно размагнитить, поэтому их используют для изготовления искусственных магнитов.
Мягкие магнитные материалы
Мягкие магнитные материалы легко намагничиваются и размагничиваются, поэтому они демонстрируют узкие кривые гистерезиса с низкими значениями коэрцитивной силы Hc и высоким насыщением. Поэтому они обладают высокой магнитной проницаемостью. Применение данных материалов сосредоточено на сердечниках для трансформаторов, двигателей, генераторов и т. д.
Потери на магнитный гистерезис
Процесс намагничивания и размагничивания, описанный выше, вызывает нагрев материала, что свидетельствует о рассеивании энергии. Эти потери обусловлены разницей между энергией, переданной полю при намагничивании, и энергией, возвращенной при размагничивании. Величина этих потерь совпадает с областью, заключенной в контуре цикла гистерезиса.
Из графиков, приведеннях выше, можно понять причину, по которой сердечники из мягких материалов обычно используются в электрических машинах. Это связано с тем, что они имеют меньшие потери на гистерезис, чем твердые, поэтому они не так сильно нагреваются и производительность машины получается выше.
Численный расчет площадей гистерезисных потерь на графике не прост, так как необходимо знать уравнение кривых, участвующих в представлении цикла гистерезиса. По этой причине для данного расчета обычно используется уравнение, известное как уравнение Штайнметца:
Единицами измерения гистерезисных потерь являются ватты на квадратный метр (Вт/м²).
Вихревые токи
Потери от вихревых токов — это потери от токов, индуцированных в ферромагнитном материале в результате воздействия на него изменяющегося во времени магнитного поля. Если магнитный материал является изолирующим, как в случае с ферритами, эти потери равны нулю.
Мощность потерь, связанных с вихревыми токами, определяется по формуле:
Из этого уравнения можно сделать вывод, что потери пропорциональны квадрату частоты и максимальной индукции, причем эти две величины зависят от типа возбуждения, действующего на магнитную цепь.
При использовании листовых материалов формула имеет следующий вид:
Меры по уменьшению потерь
Гистерезисные и тепловые потери способствуют снижению коэффициента полезного действия электрооборудования. Поэтому, чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с небольшой коэрцитивной силой, то есть, с тонкой гистерезисной петлей. Материал дополнительно отжигают, чтобы избавиться от напряжения внутренней структуры. Это также делают с целью уменьшения количества дислокаций и прочих дефектов, а также укрупнения зерна.
Чтобы снизить потери от вихревых токов, применяют магнитопроводы с высоким сопротивлением. С целью увеличения данного параметра сердечники собирают из множества взаимно изолированных листов, изготовленных из ферромагнитного материала с очень высоким удельным электросопротивлением.
Загрузка...
