Perché si verifica la perdita per isteresi?
Quando testiamo sperimentalmente un pezzo di Materiale NdFeB e cambiare ripetutamente la sua direzione di magnetizzazione allo stato completamente opposto utilizzando un campo magnetico esterno, dopo che il campo magnetico esterno il materiale non ritorna completamente allo stato non magnetico, ma mantiene un certo magnetismo. Questo fenomeno ha origine da minuscole regioni magnetiche all'interno del materiale, chiamati domini magnetici. Questi domini resistono ai cambiamenti di direzione del campo magnetico. Questa resistenza deriva principalmente dalla resistenza interna dei domini che si capovolgono. Il lavoro svolto per superare questa resistenza viene consumato all'interno del materiale e convertito in calore, con conseguente aumento della temperatura del materiale. temperatura-Questa è l'ultima manifestazione della perdita per isteresi e questo effetto di riscaldamento è noto come perdita per isteresi.
Quali problemi può causare la perdita di isteresi?
1. Aumento della temperatura
Nelle apparecchiature elettriche, la dissipazione del calore è una sfida eterna. La continua perdita di isteresi provoca l'aumento della temperatura del nucleo del ferro, accelerando l'invecchiamento dei materiali isolanti e riducendo la durata di vita delle apparecchiature.
2. Efficienza operativa ridotta
Nel funzionamento delle apparecchiature, non 100% dell'energia viene utilizzata per un lavoro utile, ma una parte viene sprecata come calore inutile. Nel sistema elettrico di una città, queste perdite si accumulano per formare uno spreco di energia di dimensioni astronomiche. Il miglioramento dell'efficienza è un tema chiave negli sforzi globali di conservazione dell'energia e di riduzione delle emissioni.
Dove si riscontra la perdita di isteresi?
1.Applicazioni del motore a corrente alternata
Trasformatori e la maggior parte dei motori elettrici utilizzano la corrente alternata. La corrente alternata genera un campo magnetico che cambia periodicamente sia in direzione che in ampiezza, facendo sì che i materiali magnetici nello statore/rotore del motore subiscano una variazione ad alta frequenza. cicli di magnetizzazione-smagnetizzazione. Ciò comporta una perdita di isteresi estremamente significativa. I progettisti devono utilizzare materiali e sistemi di raffreddamento speciali per gestirla ed evitare il surriscaldamento della macchina.
2. Applicazioni dei motori CC
In molti Motori a corrente continua, il nucleo di ferro dell'armatura ruota in modo tale che, sebbene il campo magnetico di eccitazione esterno sia prodotto dalla corrente continua e rimanga costante nella direzione, per qualsiasi punto della nucleo di ferro dell'armaturaLa direzione del campo magnetico effettivo cambia continuamente. Nei motori a corrente continua, perdita di isteresi si verifica principalmente nel nucleo di ferro dell'armatura, perché ruota in un campo magnetico costante, con conseguenti variazioni periodiche della direzione del campo magnetico effettivo sperimentato internamente. Al contrario, il giogo dello statore è soggetto a un campo magnetico costante, quindi la sua perdita di isteresi è in genere molto ridotta.
Come ridurre la perdita per isteresi?
1.Utilizzare materiali magnetici morbidi
I vantaggi dei materiali magnetici morbidi sono la bassa coercitività e la bassa rimanenza, che consentono di ridurre l'area dell'anello di isteresi. Questa è la misura fondamentale.
2. Utilizzare materiali con aree di loop di isteresi ridotte
L'area dell'anello di isteresi equivale alla perdita di energia. L'aggiunta di silicio all'acciaio al silicio ottimizza le proprietà magnetiche del ferro, rendendolo più facile da magnetizzare e smagnetizzare.
3. Ottimizzare le proprietà dei materiali attraverso i processi
Attraverso processi come la raffinazione e il trattamento termico, le tensioni interne e i difetti cristallini del materiale vengono ridotti, diminuendo così la coercitività e la perdita di isteresi.
Calcolo della perdita di isteresi
Per capire perché un apparecchio con un nucleo di ferro si riscalda, possiamo ricostruire come l'energia viene "sprecata" passo dopo passo.
Ad esempio:
l = lunghezza dell'asta di ferro
A = area della sezione trasversale dell'asta
N = numero di spire della bobina
i = corrente in qualsiasi momento
H = forza magnetizzante = (N × i) / l
B = densità di flusso magnetico
Volume dell'asta di ferro V = A × l
Supponiamo di avere un'asta di ferro di lunghezza l e sezione trasversale A, con un volume di V = A × l.
Quando la corrente i nella bobina subisce una piccola variazione di, secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, ciò induce una forza elettromotrice e nella bobina, che cerca di resistere alla variazione di corrente. Per continuare a cambiare la corrente, la sorgente di energia deve compiere un lavoro contro questa forza elettromotrice, e. In un tempo molto breve, dt, il lavoro compiuto dalla sorgente di energia è: dW = e × i × dt.
Utilizzando la formula fisica e = N × A × (dB/dt) per la derivazione, possiamo convertire completamente questo microlavoro in quantità fisiche che descrivono lo stato magnetico interno del materiale: dW = V × H × dB. Questo risultato è profondamente significativo: ci dice che ogni minimo cambiamento nello stato magnetico del materiale richiede un apporto di energia.
Quando la corrente compie un ciclo completo, anche lo stato di magnetizzazione del materiale compie un ciclo lungo l'anello di isteresi. Sommando tutti i lavori incrementali dW lungo il percorso, possiamo ottenere la perdita totale di energia per un ciclo: Perdita di energia per ciclo = Materiale volume V × area dell'anello di isteresi.
Se tali cicli di magnetizzazione si verificano f volte al secondo, la perdita di potenza è: Potenza di perdita per isteresi Pₕ = V × area del loop × f.
Questa potenza continua si trasforma in calore Joule, che è uno dei motivi fondamentali per cui i trasformatori o gli involucri dei motori si riscaldano.
Mi dedico alla scrittura scientifica divulgativa sui magneti. I miei articoli si concentrano principalmente sui principi, le applicazioni e gli aneddoti del settore. Il nostro obiettivo è fornire ai lettori informazioni preziose, aiutando tutti a comprendere meglio il fascino e il significato dei magneti. Allo stesso tempo, siamo desiderosi di ascoltare le vostre opinioni sulle esigenze legate ai magneti. Sentitevi liberi di seguirci e di impegnarvi con noi per esplorare insieme le infinite possibilità dei magneti!