Was ist Hystereseverlust?

Was ist Hystereseverlust?

Hystereseverlust bezieht sich auf die Energieabgabe, die in ferromagnetischen Materialien (wie Eisenkernen) aufgrund des Hysterese-Effekts während des Magnetisierungsprozesses auftritt. Wenn das äußere magnetische Feld wechselt, folgt die Magnetisierung des ferromagnetischen Materials dem Wechsel des magnetischen Feldes nicht sofort; stattdessen gibt es eine Verzögerung. Speziell, wenn die Stärke des magnetischen Feldes auf Null zurückkehrt, kehrt die Magnetisierung nicht vollständig auf Null zurück, sondern erfordert ein umgekehrtes magnetisches Feld, um die Restmagnetisierung zu eliminieren. Diese Verzögerung führt dazu, dass Energie als Wärme abgegeben wird, was als Hystereseverlust bekannt ist.

Die Hysterese-Schleife ist eine grafische Darstellung dieses Phänomens und zeigt die Beziehung zwischen der magnetischen Feldstärke (H) und der magnetischen Flussdichte (B). Die von der Hysterese-Schleife eingeschlossene Fläche repräsentiert den Energieverlust pro Volumeneinheit des Materials für jeden vollständigen Zyklus der Magnetisierung.

Rolle des Hystereseverlusts in magnetischen Schaltkreisen

Energieverlust:

In Transformatoren, Motoren und anderen elektromagnetischen Geräten besteht der Kern in der Regel aus ferromagnetischem Material. Während diese Geräte arbeiten, ändert sich das magnetische Feld innerhalb des Kernes häufig in Richtung und Stärke. Jede Änderung des magnetischen Feldes führt zu Hystereseverlusten, wodurch Energie als Wärme abgegeben wird.

Dieser Energieverlust reduziert die Gesamteffizienz des Geräts, da ein Teil der Eingangsenergie zum Erhitzen des Kernes verschwendet wird, anstatt für die vorgesehene Arbeit verwendet zu werden.

Temperaturanstieg:

Die durch Hystereseverluste erzeugte Wärme kann die Kerntemperatur ansteigen lassen. Wenn die Temperatur zu hoch wird, kann sie Isoliermaterialien beschädigen, die Lebensdauer der Ausrüstung verkürzen oder sogar zu einem Ausfall führen.

Daher ist es bei der Auswahl und dem Design von ferromagnetischen Materialien entscheidend, ihre Hysterese-Eigenschaften zu berücksichtigen, um unnötige Wärmeerzeugung zu minimieren.

Auswirkungen auf die Geräteleistung:

Hohe Hystereseverluste können die Effizienz des Geräts verringern, insbesondere in Hochfrequenzanwendungen, wo diese Verluste besonders signifikant sind. Um die Effizienz zu verbessern, werden oft Materialien mit niedriger Coercitivität und geringem Hystereseverlust wie Siliziumstahl oder amorphe Legierungen gewählt.

In manchen Fällen kann das Design des magnetischen Schaltkreises optimiert werden, um die Häufigkeit der Änderungen der magnetischen Flussdichte zu reduzieren und somit Hystereseverluste zu minimieren.

Berechnung des Hystereseverlusts:

Der Hystereseverlust kann mit der Steinmetz-Gleichung geschätzt werden:

wobei Wh der Hystereseverlust pro Volumeneinheit (Watt pro Kubikmeter) ist;

kh eine Konstante, die vom Material abhängt;

f die Frequenz der Änderungen des magnetischen Feldes (Hertz) ist;

Bm die maximale magnetische Flussdichte (Tesla) ist;

n ein empirischer Exponent, der typischerweise zwischen 1,6 und 2,0 liegt.

Zusammenfassung

Hystereseverlust ist die durch den Hysterese-Effekt in ferromagnetischen Materialien verursachte Energieabgabe, die hauptsächlich als Wärme manifestiert. In magnetischen Schaltkreisen beeinflusst er die Effizienz und den Temperaturanstieg der Geräte, daher muss bei der Materialauswahl und dem Design sorgfältig berücksichtigt werden. Durch die Wahl geeigneter Materialien und die Optimierung von Designs können Hystereseverluste wirksam reduziert werden, was die Gesamtleistung und die Lebensdauer der Ausrüstung verbessert.