Pourquoi la perte par hystérésis se produit-elle ?
Lorsque nous testons expérimentalement une pièce de Matériau NdFeB et changer à plusieurs reprises sa direction d'aimantation à l'état complètement opposé à l'aide d'un champ magnétique externe, après que la champ magnétique externe disparaît, le matériau ne revient pas complètement à un état non magnétique mais conserve un certain magnétisme. Ce phénomène trouve son origine dans de minuscules régions magnétiques à l'intérieur du matériau, appelés domaines magnétiques. Ces domaines résistent aux changements de direction du champ magnétique. Cette résistance est principalement due à la résistance interne des domaines qui se retournent. Le travail effectué pour surmonter cette résistance est consommé dans le matériau et converti en chaleur, ce qui entraîne une augmentation de la température du matériau. température-C'est la manifestation ultime de la perte d'hystérésis, et cet effet de chauffage est connu sous le nom de perte d'hystérésis.
Quels problèmes la perte d'hystérésis peut-elle entraîner ?
1. élévation de la température
Dans les équipements électriques, la dissipation de la chaleur est un éternel défi. Une perte d'hystérésis continue entraîne une augmentation de la température du noyau de fer, ce qui accélère le vieillissement des matériaux d'isolation et raccourcit la durée de vie de l'équipement.
2.Efficacité opérationnelle réduite
Lors du fonctionnement d'un équipement, 100% l'énergie n'est pas utilisée pour un travail utile ; au contraire, une partie est gaspillée sous forme de chaleur inutile. Dans le système électrique d'une ville, ces pertes s'accumulent pour former un gaspillage d'énergie d'une ampleur astronomique. L'amélioration de l'efficacité est un sujet clé dans les efforts mondiaux de conservation de l'énergie et de réduction des émissions.
Où peut-on observer une perte par hystérésis ?
1.Applications du moteur à courant alternatif
Transformateurs et la plupart des moteurs électriques utiliser du courant alternatif. Le courant alternatif génère un champ magnétique qui change périodiquement de direction et d'amplitude, ce qui fait que les matériaux magnétiques du stator/rotor du moteur subissent des vibrations à haute fréquence. cycles d'aimantation-désaimantation. Il en résulte une perte d'hystérésis extrêmement importante. Les concepteurs doivent utiliser des matériaux et des systèmes de refroidissement spéciaux pour la gérer et éviter la surchauffe de la machine.
2.Applications des moteurs à courant continu
Dans de nombreuses Moteurs à courant continuLe noyau de fer de l'induit tourne de telle sorte que, bien que le champ magnétique d'excitation externe soit produit par un courant continu et reste constant en direction, pour n'importe quel point du armature noyau de ferLa direction du champ magnétique effectif qu'il subit change constamment. Dans les moteurs à courant continu, perte d'hystérésis L'hystérésis se produit principalement dans le noyau de fer de l'induit parce qu'il tourne dans un champ magnétique constant, ce qui entraîne des changements périodiques de la direction du champ magnétique effectif à l'intérieur. En revanche, la culasse du stator subit un champ magnétique constant, de sorte que sa perte d'hystérésis est généralement très faible.
Comment réduire la perte par hystérésis ?
1.Utiliser des matériaux magnétiques doux
Les avantages des matériaux magnétiques doux sont une faible coercivité et une faible rémanence, ce qui permet de réduire la surface de la boucle d'hystérésis. Il s'agit de la mesure la plus fondamentale.
2.Utiliser des matériaux avec de petites zones de boucles d'hystérésis
La surface de la boucle d'hystérésis est équivalente à la perte d'énergie. L'ajout de silicium à l'acier au silicium optimise les propriétés magnétiques du fer, le rendant plus facile à magnétiser et à démagnétiser.
3.Optimiser les propriétés des matériaux grâce aux procédés
Grâce à des procédés tels que l'affinage et le traitement thermique, les contraintes internes et les défauts cristallins du matériau sont réduits, ce qui diminue la coercivité et la perte d'hystérésis.
Calcul de la perte par hystérésis
Pour comprendre pourquoi un appareil avec un noyau de fer chauffe, nous pouvons retracer la façon dont l'énergie est "gaspillée", étape par étape.
Par exemple :
l = longueur de la tige de fer
A = surface de la section transversale de la tige
N = nombre de spires de la bobine
i = courant à tout moment
H = force de magnétisation = (N × i) / l
B = densité du flux magnétique
Volume de la tige de fer V = A × l
Supposons que nous ayons une tige de fer de longueur l et de section A, d'un volume de V = A × l.
Lorsque le courant i dans la bobine subit une variation minime di, selon la loi de l'induction électromagnétique, cela induit une force électromotrice e dans la bobine, qui tente de résister à la variation du courant. Pour continuer à modifier le courant, la source d'énergie doit travailler contre cette force électromotrice e. En un temps très court, dt, le travail effectué par la source d'énergie est : dW = e × i × dt.
En utilisant la formule physique e = N × A × (dB/dt) pour la dérivation, nous pouvons convertir entièrement ce micro-travail en quantités physiques décrivant l'état magnétique interne du matériau : dW = V × H × dB. Ce résultat est profondément significatif : il nous indique que chaque changement minime de l'état magnétique du matériau nécessite un apport d'énergie.
Lorsque le courant effectue un cycle complet, l'état d'aimantation du matériau effectue également un cycle le long de la boucle d'hystérésis. En additionnant tous les travaux incrémentaux dW en cours de route, nous pouvons obtenir la perte d'énergie totale pour un cycle : Perte d'énergie par cycle = Matériau volume V × surface de la boucle d'hystérésis.
Si de tels cycles de magnétisation se produisent f fois par seconde, la perte de puissance est : Puissance de la perte d'hystérésis Pₕ = V × surface de la boucle × f.
Cette puissance continue finit par se transformer en chaleur Joule, ce qui est l'une des raisons fondamentales de l'échauffement des transformateurs ou des carters de moteurs.
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