Почему возникают гистерезисные потери?
Когда мы экспериментально проверяем часть Материал NdFeB и многократно изменяет направление намагниченности на полностью противоположное с помощью внешнего магнитного поля, после чего внешнее магнитное поле исчезает, материал не полностью возвращается в немагнитное состояние, но сохраняет определенный магнетизм. Это явление происходит от крошечные магнитные области внутри материала, называемые магнитными доменами. Эти домены сопротивляются изменению направления магнитного поля. Это сопротивление обусловлено в первую очередь внутренним сопротивлением доменов. Работа, затрачиваемая на преодоление этого сопротивления, расходуется внутри материала и преобразуется в тепло, что приводит к увеличению температура-это высшее проявление гистерезисных потерь, и этот эффект нагрева известен как гистерезисные потери.
Какие проблемы может вызвать потеря гистерезиса?
1.Повышение температуры
В электрооборудовании отвод тепла является вечной проблемой. Непрерывные гистерезисные потери приводят к повышению температуры железного сердечника, ускоряя старение изоляционных материалов и сокращая срок службы оборудования.
2.Снижение операционной эффективности
При работе оборудования не 100% часть энергии используется для полезной работы; вместо этого часть тратится в виде бесполезного тепла. В городской энергосистеме эти потери накапливаются, образуя астрономически большие энергетические потери. Повышение эффективности - ключевая тема в глобальных усилиях по энергосбережению и сокращению выбросов.
Где мы можем наблюдать гистерезисные потери?
1.Применение двигателей переменного тока
Трансформеры и большинство электродвигателей используют переменный ток. Переменный ток генерирует магнитное поле, которое периодически изменяется как по направлению, так и по величине, заставляя магнитные материалы статора/ротора двигателя подвергаться высокочастотному воздействию. циклы намагничивания-размагничивания. Это приводит к чрезвычайно значительным потерям на гистерезис. Конструкторы должны использовать специальные материалы и системы охлаждения, чтобы справиться с этим и предотвратить перегрев машины.
2.Применение двигателей постоянного тока
Во многих Двигатели постоянного токаЖелезный сердечник якоря вращается так, что, хотя внешнее возбуждающее магнитное поле создается постоянным током и остается постоянным по направлению, для любой точки на железный сердечник якоряПоэтому направление эффективного магнитного поля постоянно меняется. В двигателях постоянного тока, потеря гистерезиса в основном происходит в железном сердечнике якоря, поскольку он вращается в постоянном магнитном поле, что приводит к периодическим изменениям направления эффективного магнитного поля внутри него. В отличие от этого, ярмо статора испытывает постоянное магнитное поле, поэтому его гистерезисные потери, как правило, очень малы.
Как уменьшить потери на гистерезис?
1.Использование мягких магнитных материалов
Преимуществами магнитомягких материалов являются низкая коэрцитивная сила и низкий реманент, что позволяет уменьшить площадь петли гистерезиса. Это наиболее фундаментальный показатель.
2.Использовать материалы с малой площадью петли гистерезиса
Площадь петли гистерезиса эквивалентна потере энергии. Добавление кремния в кремнистую сталь оптимизирует магнитные свойства железа, облегчая его намагничивание и размагничивание.
3.Оптимизация свойств материалов с помощью технологических процессов
Благодаря таким процессам, как рафинирование и термообработка, внутренние напряжения и кристаллические дефекты в материале уменьшаются, тем самым снижая коэрцитивную силу и гистерезисные потери.
Расчет потерь на гистерезис
Чтобы понять, почему прибор с железным сердечником нагревается, мы можем проследить, как энергия "тратится" шаг за шагом.
Например:
l = длина железного стержня
A = площадь поперечного сечения стержня
N = количество витков катушки
i = ток в любой момент времени
H = намагничивающая сила = (N × i) / l
B = плотность магнитного потока
Объем железного стержня V = A × l
Предположим, что у нас есть железный стержень длиной l и площадью поперечного сечения A, объем которого составляет V = A × l.
Когда ток i в катушке претерпевает крошечное изменение di, согласно закону электромагнитной индукции, это вызывает в катушке электродвижущую силу e, пытающуюся противостоять изменению тока. Чтобы продолжать изменять ток, источник питания должен совершить работу против этой электродвижущей силы e. За очень короткое время, dt, работа, совершенная источником питания, составляет: dW = e × i × dt.
Используя физическую формулу e = N × A × (dB/dt) для вывода, мы можем полностью преобразовать эту микроработу в физические величины, описывающие внутреннее магнитное состояние материала: dW = V × H × dB. Этот результат имеет огромное значение: он говорит нам о том, что каждое крошечное изменение магнитного состояния материала требует затрат энергии.
Когда ток совершает полный цикл, состояние намагниченности материала также проходит цикл по петле гистерезиса один раз. Суммируя все дополнительные работы dW на этом пути, мы можем получить полную потерю энергии за один цикл: Потери энергии за цикл = Материал объем V × площадь петли гистерезиса.
Если такие циклы намагничивания происходят f раз в секунду, то потери мощности составляют: Мощность гистерезисных потерь Pₕ = V × площадь контура × f.
Эта непрерывная мощность в конечном итоге преобразуется в тепло Джоуля, что является одной из основных причин нагрева трансформаторов или корпусов двигателей.
Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!