Histerezis ve girdap akım kayıpları

Manyetik malzemelerin alternatif bir manyetik alan tarafından mıknatıslanması tersine çevrilirken, mıknatıslanma tersine çevrilen manyetik alan enerjisinin bir kısmı kaybolur. Gücün “spesifik manyetik kayıp” olarak adlandırılan belirli bir kısmı, ısı şeklinde belirli bir manyetik malzemenin birim kütlesi başına dağıtılır.

Spesifik manyetik kayıplar, dinamik kayıpların yanı sıra histerezis kayıplarını içerir. Dinamik kayıplar, girdap akımlarının (malzemede indüklenen) ve manyetik viskozitenin (manyetik son efekt olarak adlandırılan) neden olduğu kayıpları içerir. Manyetik histerezise bağlı kayıplar, alan sınırlarının geri dönüşümsüz hareketleri ile açıklanmaktadır.

Her bir manyetik malzeme, mıknatıslanma mıknatıslama alanının frekansı ve bu malzemenin histerezis döngüsünün alanı ile orantılı olarak kendi histerezis kaybına sahiptir.

Histerezis döngüsü:

Bir kütle biriminde (W / kg cinsinden) histerezis ile ilişkili kayıpların gücünü bulmak için aşağıdaki formül kullanılır:

Histerezis kayıplarını azaltmak için, çoğu zaman zorlayıcı kuvveti küçük olan manyetik malzemelerin, yani ince histerezis döngüsüne sahip malzemelerin kullanımına başvurulur. Bu malzeme, iç yapıdaki gerilmeleri hafifletmek, çıkıkların sayısını ve diğer kusurları azaltmak ve ayrıca taneyi büyütmek için tavlanır.

Girdap akımları da geri dönüşümsüz kayıplara neden olur. Bunlar, mıknatıslanma mıknatıslama alanının mıknatıslama malzemesinin içinde bir akımı indüklemesinden kaynaklanmaktadır. Girdap akımlarının neden olduğu kayıplar, mıknatıslanmış mıknatıslanma malzemesinin elektrik direncine ve manyetik devrenin konfigürasyonuna bağlıdır.

Böylece, manyetik malzemenin direnci ne kadar büyük olursa (iletkenlik de o kadar kötüleşir), girdap akımlarının neden olduğu kayıplar o kadar küçük olur.

Girdap akımlarından kaynaklanan kayıplar, mıknatıslanma mıknatıslama alanının karesi frekansı ile orantılıdır; bu nedenle, yüksek elektrik iletkenliğine sahip malzemelerden yapılmış manyetik devreler, yeterince yüksek frekanslarda çalışan cihazlarda uygulanamaz.

Bir birim manyetik malzeme kütlesi (W / kg cinsinden) için girdap akımı kayıplarının gücünü tahmin etmek için formülü kullanın:

 

Girdap akımlarından kaynaklanan kayıplar niceliksel olarak frekansın karesine bağlı olduğundan, yüksek frekans bölgesinde çalışmak için öncelikle girdap akımlarından kaynaklanan kayıpları hesaba katmak gerekir.

Bu kayıpları en aza indirmek için, daha yüksek elektrik direncine sahip manyetik çekirdekler kullanmaya çalışırlar.

Direnci arttırmak için, göbekler, yeterince yüksek iç elektriksel dirençli, karşılıklı olarak izole edilmiş çok sayıda ferromanyetik malzeme tabakasından monte edilir.

Toz haline getirilmiş manyetik malzeme bir dielektrik ile preslenir, böylece manyetik malzemenin parçacıkları birbirinden dielektrik parçacıklar ile ayrılır. Yani manyetodielektrikler alın.

Diğer bir seçenek, dielektriklerin ve yarı iletkenlerin direncine yakın, yüksek elektriksel direnç ile karakterize edilen özel bir ferrimanyetik seramik olan ferritlerin kullanılmasıdır. Aslında ferritler, genel formül ile tarif edilebilen, bazı iki değerlikli metallerin oksitleri ile demir oksidin katı çözeltileridir:

 

Metalik malzeme tabakasının kalınlığında bir azalma ile, girdap akımlarının neden olduğu kayıplar buna göre azalır. Ancak aynı zamanda, histerezis ile ilişkili kayıplar artar, çünkü yaprağın incelmesi ile tane büyüklüğü de azalır, bu da zorlayıcı kuvvetin büyüdüğü anlamına gelir.

Neredeyse artan frekansla, girdap akım kayıpları histerezis kayıplarından daha fazla artar, bu ilk iki formül karşılaştırılarak görülebilir. Ve belli bir sıklıkta, girdap akım kayıpları histerezis kayıpları üzerinde giderek daha fazla hakim olmaya başlar.

Bu, tabakanın kalınlığı çalışma frekansına bağlı olmasına rağmen, yine de, her bir frekans için, bir bütün olarak manyetik kayıpların en aza indirileceği belirli bir tabaka kalınlığının seçilmesi gerektiği anlamına gelir.

Tipik olarak manyetik malzemeler, mıknatıslama alanının süresine bağlı olarak kendi manyetik indüksiyonlarındaki değişikliği geciktirme eğilimindedir.

Bu fenomen manyetik son efekt (veya manyetik viskozite olarak adlandırılan) ile ilişkili kayıplara neden olur. Bu, etki alanı yeniden pazarlama işleminin ataletinden kaynaklanmaktadır. Uygulanan manyetik alanın süresi ne kadar kısa olursa, gecikme o kadar uzun olur ve dolayısıyla "manyetik viskozitenin" neden olduğu manyetik kayıp daha fazla olur. Manyetik çekirdekli darbeli cihazlar tasarlanırken bu faktör dikkate alınmalıdır.

Manyetik son etkiden kaynaklanan güç kayıpları doğrudan hesaplanamaz, ancak dolaylı olarak bulunabilirler - toplam spesifik manyetik kayıplar ile girdap akımları ve manyetik histerezise bağlı kayıpların toplamı arasındaki fark olarak:

Bu nedenle, mıknatıslanma tersine çevirme sürecinde, manyetik indüksiyonda fazdaki mıknatıslanma mıknatıslanma alanının yoğunluğundan hafif bir gecikme vardır. Bunun nedeni, Lenz yasasına göre manyetik indüksiyon, histerezis fenomeni ve manyetik son efektteki değişiklikleri önleyen girdap akımlarıdır.

Faz gecikme açısına manyetik kayıp açısı calledm denir. Manyetik malzemelerin dinamik özelliklerinin özellikleri, manyetik kayıp açısı tanδm tanjantı gibi bir parametreyi gösterir.

İşte manyetik malzemenin çekirdeği olan toroidal bir bobin için eşdeğer devre ve vektör diyagramı, burada r1 tüm manyetik kayıpların eşdeğer direncidir:

Manyetik kayıp açısının tanjantının, bobinin kalite faktörü ile ters orantılı olduğu görülmektedir. Mıknatıslanabilir malzemede bu koşullar altında ortaya çıkan endüksiyon Bm iki bileşene ayrılabilir: birincisi fazda mıknatıslanma alanının yoğunluğu ile çakışır ve ikincisi bunun 90 derece gerisinde kalır.

Birinci bileşen mıknatıslanma tersinmesi sırasında doğrudan tersinir süreçlerle, ikincisi tersinmez olanlarla ilişkilidir. AC devrelerinde kullanılan manyetik malzemeler, karmaşık manyetik geçirgenlik gibi bu parametre ile bağlantılı olarak karakterize edilir: