Что такое потери от гистерезиса?

Что такое гистерезисные потери?

Гистерезисные потери — это рассеяние энергии, которое происходит в ферромагнитных материалах (таких как железные сердечники) из-за эффекта гистерезиса во время процесса намагничивания. Когда внешнее магнитное поле изменяется, намагниченность ферромагнитного материала не сразу следует за изменением магнитного поля, а отстает. В частности, когда сила магнитного поля возвращается к нулю, намагниченность не полностью возвращается к нулю, а требует обратного магнитного поля для устранения остаточной намагниченности. Этот отставание приводит к тому, что энергия рассеивается в виде тепла, что и называется гистерезисными потерями.

Петля гистерезиса — это графическое представление этого явления, показывающее взаимосвязь между силой магнитного поля (H) и плотностью магнитного потока (B). Площадь, ограниченная петлей гистерезиса, представляет собой потери энергии на единицу объема материала за каждый полный цикл намагничивания.

Роль гистерезисных потерь в магнитных цепях

Потери энергии:

В трансформаторах, электродвигателях и других электромагнитных устройствах сердечник обычно изготовлен из ферромагнитного материала. При работе этих устройств магнитное поле внутри сердечника часто меняет направление и силу. Каждое изменение магнитного поля приводит к гистерезисным потерям, что приводит к рассеянию энергии в виде тепла.

Эти потери энергии снижают общую эффективность устройства, так как часть входной энергии расходуется на нагрев сердечника, а не используется для выполнения предполагаемой работы.

Повышение температуры:

Тепло, выделяемое вследствие гистерезисных потерь, может вызывать повышение температуры сердечника. Если температура становится слишком высокой, это может повредить изоляционные материалы, сократить срок службы оборудования или даже привести к отказу.

Поэтому при проектировании и выборе ферромагнитных материалов крайне важно учитывать их гистерезисные характеристики, чтобы минимизировать ненужное выделение тепла.

Влияние на производительность устройства:

Высокие гистерезисные потери могут снизить эффективность устройства, особенно в высокочастотных приложениях, где эти потери особенно значительны. Для повышения эффективности часто выбираются материалы с низкой коэрцитивной силой и низкими гистерезисными потерями, такие как кремниевая сталь или аморфные сплавы.

В некоторых случаях конструкцию магнитной цепи можно оптимизировать, чтобы снизить частоту изменения плотности магнитного потока, тем самым минимизируя гистерезисные потери.

Расчет гистерезисных потерь:

Гистерезисные потери можно оценить с помощью уравнения Штейнмеца:

где Wh — гистерезисные потери на единицу объема (ватты на кубический метр);

kh — константа, связанная с материалом;

f — частота изменения магнитного поля (герц);

Bm — максимальная плотность магнитного потока (тесла);

n — эмпирический показатель, обычно находящийся в диапазоне от 1,6 до 2,0.

Заключение

Гистерезисные потери — это рассеяние энергии, вызванное эффектом гистерезиса в ферромагнитных материалах, преимущественно проявляющееся в виде тепла. В магнитных цепях они влияют на эффективность и повышение температуры устройств, поэтому при выборе материалов и проектировании необходимо внимательно учитывать их гистерезисные характеристики. Выбор подходящих материалов и оптимизация конструкций позволяют эффективно снизить гистерезисные потери, улучшая общую производительность и срок службы оборудования.