Co to jest strata hysteresis?

Co to jest strata hysterezowa?

Strata hysterezowa odnosi się do rozproszenia energii, które występuje w materiałach ferromagnetycznych (takich jak rdzenie z żelaza) w wyniku efektu hysterezy podczas procesu namagnesowania. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne ulega zmianie, namagnesowanie materiału ferromagnetycznego nie natychmiast śledzi zmianę pola magnetycznego, lecz występuje opóźnienie. Konkretnie, gdy siła pola magnetycznego wraca do zera, namagnesowanie nie wraca całkowicie do zera, ale wymaga odwrotnego pola magnetycznego, aby usunąć pozostałą namagnesowanie. To opóźnienie powoduje rozproszenie energii jako ciepło, co nazywane jest stratą hysterezową.

Pętla hysterezowa jest graficznym przedstawieniem tego zjawiska, pokazującym relację między siłą pola magnetycznego (H) a gęstością indukcji magnetycznej (B). Pole zamknięte przez pętlę hysterezową reprezentuje stratę energii na jednostkę objętości materiału dla każdego pełnego cyklu namagnesowania.

Rola straty hysterezowej w obwodach magnetycznych

Strata energii:

W transformatorach, silnikach i innych urządzeniach elektromagnetycznych, rdzeń jest zwykle wykonany z materiału ferromagnetycznego. Podczas działania tych urządzeń, pole magnetyczne wewnątrz rdzenia często zmienia kierunek i siłę. Każda zmiana pola magnetycznego prowadzi do strat hysterezowych, co skutkuje rozproszeniem energii jako ciepła.

Ta strata energii redukuje ogólną wydajność urządzenia, ponieważ część energii wejściowej jest marnowana na ogrzewanie rdzenia, zamiast być używana do zamierzonego zadania.

Wzrost temperatury:

Ciepło generowane przez straty hysterezowe może spowodować wzrost temperatury rdzenia. Jeśli temperatura stanie się zbyt wysoka, może uszkodzić materiały izolacyjne, skrócić żywotność sprzętu lub nawet spowodować awarię.

Dlatego przy projektowaniu i wyborze materiałów ferromagnetycznych jest kluczowe brać pod uwagę ich charakterystyki hysterezowe, aby zminimalizować niepotrzebne generowanie ciepła.

Wpływ na wydajność urządzenia:

Wysokie straty hysterezowe mogą obniżyć wydajność urządzenia, zwłaszcza w aplikacjach o wysokiej częstotliwości, gdzie te straty są szczególnie istotne. Aby poprawić wydajność, często wybiera się materiały o niskiej koercji i niskich stratach hysterezowych, takie jak stal krzemiowa lub stopy amorficzne.

W niektórych przypadkach projekt obwodu magnetycznego można zoptymalizować, aby zredukować częstotliwość zmian gęstości przepływu magnetycznego, co minimalizuje straty hysterezowe.

Obliczanie strat hysterezowych:

Straty hysterezowe można oszacować za pomocą równania Steinmetza:

gdzie, Wh to strata hysterezowa na jednostkę objętości (watów na metr sześcienny);

kh to stała związana z materiałem;

f to częstotliwość zmian pola magnetycznego (hertz);

Bm to maksymalna gęstość przepływu magnetycznego (tesla);

n to empiryczny wykładnik, zazwyczaj mieszczący się w zakresie od 1,6 do 2,0.

Podsumowanie

Strata hysterezowa to rozproszenie energii spowodowane efektem hysterezy w materiałach ferromagnetycznych, głównie manifestująca się jako ciepło. W obwodach magnetycznych wpływa na wydajność i wzrost temperatury urządzeń, dlatego należy starannie zważyć wybór materiałów i projekt. Poprzez dobór odpowiednich materiałów i optymalizację projektów, straty hysterezowe można skutecznie zredukować, co poprawia ogólną wydajność i żywotność sprzętu.