Предельная петля гистерезиса. Гистерезисные явления в ферромагнетиках: предельная петля гистерезиса и ее характеристики — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое гистерезис в ферромагнетиках. Как выглядит предельная петля гистерезиса. Какие основные характеристики можно определить по петле гистерезиса. Как гистерезис влияет на свойства и применение магнитных материалов.

Содержание

Что такое магнитный гистерезис в ферромагнетиках

Магнитный гистерезис — это явление отставания изменения намагниченности ферромагнитного материала от изменения внешнего магнитного поля. Это приводит к тому, что зависимость намагниченности от напряженности поля имеет вид замкнутой петли, называемой петлей гистерезиса.

Основные причины возникновения магнитного гистерезиса:

Необратимые смещения границ магнитных доменов
Вращение векторов намагниченности доменов
Задержка перемагничивания из-за дефектов кристаллической решетки

Гистерезис обуславливает потери энергии при перемагничивании ферромагнетика в переменных магнитных полях. Эти потери пропорциональны площади петли гистерезиса.

Предельная петля гистерезиса и ее основные характеристики

Предельная петля гистерезиса получается при циклическом перемагничивании ферромагнетика в полях, достаточных для достижения технического насыщения. Она характеризует максимальные магнитные свойства материала.

Основные характеристики, определяемые по предельной петле гистерезиса:

Коэрцитивная сила Hc — напряженность поля, необходимая для полного размагничивания материала
Остаточная индукция Br — магнитная индукция, сохраняющаяся после снятия внешнего поля
Индукция насыщения Bs — максимальное значение индукции при техническом насыщении
Напряженность поля насыщения Hs — поле, при котором достигается насыщение

Влияние формы петли гистерезиса на свойства и применение материалов

Форма петли гистерезиса определяет магнитные свойства и область применения ферромагнитных материалов:

Узкая петля характерна для магнитомягких материалов с малыми потерями на перемагничивание (сердечники трансформаторов, электромагнитов)

Широкая петля — для магнитотвердых материалов, устойчивых к размагничиванию (постоянные магниты)
Прямоугольная петля — для материалов запоминающих устройств

Таким образом, анализ петли гистерезиса позволяет оценить пригодность материала для конкретных применений.

Магнитные потери на гистерезис и способы их снижения

Потери энергии на гистерезис при перемагничивании ферромагнетиков в переменных полях обусловлены необратимыми процессами смещения доменных границ. Величина потерь пропорциональна площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания.

Основные способы снижения гистерезисных потерь:

Использование магнитомягких материалов с узкой петлей гистерезиса
Уменьшение размеров магнитопровода для снижения объема перемагничиваемого материала
Применение ферритов с высоким удельным сопротивлением для уменьшения вихревых токов

Использование тонких лент и пластин в магнитопроводах для ограничения вихревых токов

Минимизация гистерезисных потерь позволяет повысить КПД устройств, работающих на переменном токе.

Влияние температуры на петлю гистерезиса ферромагнетиков

С повышением температуры происходят следующие изменения петли гистерезиса ферромагнетиков:

Уменьшается площадь петли из-за ослабления обменного взаимодействия
Снижаются значения остаточной индукции и коэрцитивной силы
Уменьшается индукция насыщения вследствие теплового разупорядочения спинов

При достижении температуры Кюри ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, и петля гистерезиса вырождается в прямую линию. Этот эффект используется в устройствах тепловой защиты.

Динамические петли гистерезиса при высоких частотах перемагничивания

При высоких частотах перемагничивания форма петли гистерезиса изменяется по сравнению со статической петлей:

Петля расширяется из-за дополнительных потерь на вихревые токи
Вершины петли закругляются вследствие магнитного последействия
Наблюдается отставание изменения индукции от напряженности поля

Динамические петли гистерезиса позволяют оценить частотные свойства магнитных материалов и их применимость в высокочастотных устройствах.

Применение анализа петли гистерезиса в неразрушающем контроле

Измерение и анализ петли гистерезиса используется в неразрушающем контроле ферромагнитных изделий для:

Определения структуры и фазового состава материала
Оценки механических напряжений и деформаций
Выявления дефектов структуры (трещин, пор, неоднородностей)
Контроля качества термической и механической обработки

Это позволяет проводить диагностику состояния ответственных конструкций и деталей без их разрушения.

Численное моделирование гистерезисных явлений в ферромагнетиках

Для моделирования магнитного гистерезиса в ферромагнитных материалах используются различные математические модели:

Модель Прейзаха, основанная на суперпозиции элементарных прямоугольных петель
Модель Джилса-Атертона, учитывающая обратимые и необратимые процессы намагничивания
Векторные гистерезисные модели для анизотропных материалов
Модели на основе теории Ландау-Лифшица-Гильберта

Численное моделирование позволяет прогнозировать поведение магнитных материалов в различных условиях и оптимизировать конструкции магнитных устройств.

Гистерезисные явления в ферромагнетиках. Предельная петля гистерезиса.

Характерные точки предельной петли гистерезиса

•Отставание процесса намагничивания магнетиков от изменения напряженности внешнего поля называется гистерезисом.

•Петля гистерезиса, полученная при индукции насыщения, называется предельной.

•1) коэрцитивная сила ± HC

•2)остаточная магнитная индукция ±Br

•3) максимальная магнитная индукция ±Bmax=BS

•4) напряженность магнитного поля при насыщении ±Hmax=HS

Магнитные потери

•Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше энергия внешнего поля, затрачиваемая на нагревание материала в процессе перемагничивания.

•Потери на перемагничивание складываются из:

•1) потерь на гистерезис, т.е. на перемагничивание

•2) потерь на вихревые токи (динамические потери – токи Фуко)

•3) потерь на магнитное последействие

• Потери на гистерезис		P fBn
за один цикл		P fBn
			Г		max
PГ f HdB	f	HB	f	S	Вт / кг

•Потери на вихревые токи

1,64 d 2		f 2 B2
PB		max Вт / кг

Динамические петли гистерезиса

•Геометрическое место точек вершин динамических петель гистерезиса называется основной кривой намагничивания, которая представляет собой кривую первоначального намагничивания магнетика.

Магнитная проницаемость

B / 0 H

Относительная магнитная проницаемость

limH 0 H

tg н

Начальная магнитная проницаемость

max

tg max

H max

Максимальная магнитная проницаемость

— угол наклона к оси абсцисс секущей; mB, mH- масштабы по осям В и Н соответственно

Влияние температуры на магнитные свойства ферромагнетиков

•Температура, при которой происходит распад доменной структуры, исчезает спонтанная намагниченность и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, называется магнитной точкой Кюри.

Тип гистерезисной кривой для практического применения

Четные и нечетные магнитные эффекты

Четные магнитные эффекты

1.Магнитострикция

2.Гальваномагнитный эффект

3.Термомагнитные эффекты

Нечетные магнитные эффекты 1. Эффект Холла

Магнитный гистерезис

Если предварительно размагниченный образец ферромагнитного материала подвергнуть намагничиванию до состояния технического насыщения, то с увеличением напряженности магнитного поля Н магнитная индукция образца В будет изменяться в соответствии с кривой ОАБ (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Предельная петля магнитного гистерезиса

В точке А при H = H_s магнитная индукция образца достигнет индукции насыщения B_s. При уменьшении напряженности поля Н намагниченность образца уменьшается по кривой БАB_r, и при Н = 0 образец будет обладать некоторой индукцией, величина которой будет отлична от нуля.

Эта индукция называется остаточной и обозначается Вr. Остаточная индукция (остаточная намагниченность) обусловлена тем, что при размагничивании, когда Н = 0, магнитные моменты доменов оказываются ориентированными вдоль оси легкого намагничивания, направление которой близко к направлению внешнего.

Для достижения полного размагничивания образца к нему необходимо приложить противоположное по знаку поле определенной напряженности. Напряженность такого поля называют коэрцитивной силой Н_с. При дальнейшем усилении отрицательного поля магнитная индукция тоже становится отрицательной и в точке A’ при H = –H_s достигает значения индукции технического насыщения (B = –B_s). После уменьшения отрицательного поля, а затем увеличения положительного поля кривая перемагничивания опишет петлю, называемую предельной петлей магнитного гистерезиса, которая является важной технической характеристикой магнитных материалов.

Таким образом, предельная петля магнитного гистерезиса – это кривая изменения магнитной индукции при изменении внешнего магнитного поля от +H_s до –H_s и обратно.

Пользуясь предельной петлей магнитного гистерезиса можно определить основные параметры материала: коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения B_s, остаточную индукцию Br и др.

Такие характеристики материала, как точка Кюри и индукция насыщения, зависят только от химического состава магнитных материалов. Коэрцитивная сил Н_с, магнитная проницаемость M и площадь петли гистерезиса являются структурночувствительными. Чем больше размер зерна (меньше суммарная удельная поверхность зерен) и более совершенна структура кристаллической решетки (меньше дислокаций, внутренних напряжений, примесей и других дефектов), тем меньше Н_с и больше M, а материал легче намагничивается и перемагничивается.

По величине коэрцитивной силы магнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвердые. Материалы, у которых Нс с > 4 кА/м – к магнитответдым (ГОСТ 19693 – 74).

Для магнитомягких материалов характерно малое значение коэрцитивной силы. У промышленных образцов наименьшая Н_с = 0,4 А/м. Поэтому они намагничиваются до индукции технического насыщения при невысоких напряженностях поля. У магнитомягких материалов высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание и узкая петля гистерезиса при высоких значениях магнитной индукции.

Для магнитотвердых материалов характерна широкая петля гистерезиса с большой коэрцитивной силой. У промышленных образцов наибольшая Нс = 800 кА/м. Магнитотвердые материалы намагничиваются при высокой напряженности внешнего магнитного поля, но зато длительное время сохраняют сообщенную энергию.

← Раздел 2.1
Раздел 2.3 →

Гистерезисные потери в трансформаторе и их влияние на цепи переменного тока

Ключевые выводы

Гистерезисные потери в трансформаторе возникают из-за насыщения намагниченности в сердечнике трансформатора.
Магнитные материалы в сердечнике в конечном итоге станут магнитно-насыщенными, если они будут помещены в сильное магнитное поле, такое как магнитное поле, создаваемое переменным током.
Во избежание искажений трансформаторы, используемые для силовой электроники, следует выбирать так, чтобы они не сильно насыщались при входном значении магнитного потока.

Магнитопровод в этом трансформаторе создает гистерезисные потери при высоком входном токе и магнитном поле.

Трансформаторы являются одним из тех важных элементов оборудования, которые делают возможной современную жизнь, поскольку они выполняют важную функцию преобразования энергии. Они повышают или понижают переменное напряжение/ток до полезных уровней, которые затем можно преобразовать в постоянный ток и использовать для питания вашей любимой электроники. Если вы хотите подключить что-либо к стене и получать питание от сети, вам необходимо выполнить несколько важных требований, одно из которых касается гистерезиса в трансформаторе.

К сожалению, вместе с магнитным гистерезисом возникают гистерезисные потери в трансформаторе. Каждый трансформатор имеет некоторые гистерезисные потери, когда входной ток колеблется туда-сюда, и эти потери проявляются в виде незначительных искажений и снижения эффективности выходной мощности. Когда вам нужно разместить преобразование мощности непосредственно на вашей печатной плате или вам просто нужно выбрать трансформатор для преобразования энергии, обратите внимание на гистерезисные потери в вашем трансформаторе.

Что вызывает потери на гистерезис в трансформаторе?

Каждый трансформатор содержит ферромагнитный материал в качестве сердечника, и все магнитные материалы будут иметь некоторое магнитное насыщение, которое возникает при высокой напряженности магнитного поля. Когда это происходит, уровень намагниченности, который вы индуцируете в магнитном материале, достиг своего максимума; вы не можете заставить этот материал иметь более высокий уровень магнетизма после насыщения. В результате наведенная намагниченность в сердечнике трансформатора перестает увеличиваться, хотя входной ток и магнитный поток продолжают увеличиваться.

Как только входной поток меняет направление, требуется некоторое количество магнитного потока, чтобы заставить намагниченность в сердечнике трансформатора изменить направление. В этом суть гистерезиса; хотя магнитное поле изменило направление, намагниченность в ядре (проявляющаяся в B-поле) не полностью уменьшается до нуля, пока поле не превысит определенный порог (называемый коэрцитивной силой). Влияние гистерезиса на поле B в сердечнике из-за поля H, создаваемого током в катушках, показано на изображении ниже.

Окно магнитного гистерезиса.

H-поле не действует на магнитные домены в материале сердечника, но все же удобно думать, что магнитное поле испытывает неконсервативную силу, известную во многих кругах как магнитное трение. Уместна аналогия с трением, поскольку потеря мощности проявляется в ядре в виде тепла. На самом деле магнитное поле действительно сдвигает магнитные домены в материале сердечника. Это приводит к знакомому гудению и вибрации в больших трансформаторах, работающих с очень сильными полями. Из-за дисперсии гистерезисные потери различаются в зависимости от частоты, что следует учитывать при выборе трансформатора.

Можно ли уменьшить потери на гистерезис?

Простой ответ заключается в том, что потери на гистерезис нельзя легко уменьшить, добавив некоторые компоненты или отрегулировав геометрию. Гистерезисные потери в сердечнике трансформатора пропорциональны площади, заключенной в окне гистерезиса для данного материала сердечника. По этой причине используются материалы с высокой магнитной чувствительностью, поскольку они, как правило, имеют узкие окна гистерезиса. Прочтите эту статью, чтобы найти таблицу со свойствами материалов и номинальными потерями на частоте 100 кГц для распространенных материалов сердечников трансформаторов.

В дополнение к гистерезисным потерям каждый трансформатор имеет следующие источники потерь:

Потеря утечки. Не все конструкции трансформаторов идеальны, и часть поля будет утекать из сердечника трансформатора. Это уменьшает магнитное поле, наблюдаемое во вторичных обмотках, поэтому входной ток будет немного уменьшен.
Потеря проводника. Проводник, используемый для формирования обмоток вокруг сердечника (обычно медь), имеет некоторую конечную электропроводность, поэтому в обмотках будет некоторое падение IR.
Потери на вихревые токи. Поскольку входной магнитный поток непрерывно переключается во времени, в сердечнике индуцируется вихревой ток, создающий омические потери. Решением здесь является использование сердечника с меньшей площадью поперечного сечения и более высокой проводимостью.

Не все модели SPICE для трансформаторов включают все источники потерь. Самые базовые модели SPICE являются чисто линейными и не включают никаких потерь. Для работы с реальными трансформаторами в стандартных симуляциях SPICE вам необходимо использовать утилиту моделирования для учета гистерезиса или других потерь в вашей системе преобразования энергии. Эта область проектирования электроники исследовалась с тех пор, как появились симуляторы SPICE. Взгляните на эту недавнюю статью IEEE, чтобы узнать больше о разработке SPICE-моделей для трансформаторов с гистерезисом.

Пример 3-фазных сигналов напряжения в сильноточной системе. Обратите внимание на искажение из-за гистерезиса.

Прочие важные части преобразования мощности

Системы электропитания и электрооборудование должны соответствовать стандартам, таким как IEEE 519-2014, NEMA IS07 P1-2019 и стандартам IEC, каждый из которых определяет допустимые верхние пределы общего гармонического искажения (THD) в силовой электронике. Эти стандарты по-разному влияют на другие аспекты вашей системы, связанные с гистерезисом трансформатора.

В дополнение к разумному выбору трансформатора вам необходимо тщательно выбрать следующие компоненты и топологии цепей для преобразования энергии, кондиционирования и фильтрации. В таблице ниже приведен краткий список важных компонентов и цепей, которые необходимо включить в секцию ввода/преобразования переменного тока:

Компонент/схема	Роль в преобразовании энергии
Фильтр электромагнитных помех Magnetics	Использует магнитный сердечник с синфазными обмотками для устранения синфазных кондуктивных электромагнитных помех на входной секции устройства. Обратите внимание, что эти фильтры в основном являются трансформаторами и также могут иметь гистерезисные потери.
Цепь PFC	Сглаживает форму волны тока, когда импульсный стабилизатор потребляет мощность и когда гистерезисные потери в трансформаторе вызывают искажения.
Топология регулятора (LDO или коммутация)	Обеспечивает стабильную выходную мощность постоянного тока с высокой эффективностью. В некоторых топологиях регуляторов, таких как прямоходовые и обратноходовые преобразователи, используются диод и трехобмоточный трансформатор для преодоления гистерезисных потерь при стабильном выходе постоянного тока.
Выпрямительные диоды	Технически в выпрямителе можно использовать любой диод, если его прямое напряжение достаточно низкое. Многие ИС мостовых выпрямителей рассчитаны на определенное линейное напряжение переменного тока.

После того, как вы выберете эти другие компоненты и спроектируете схемы регулирования/кондиционирования для преобразования энергии, вы сможете смоделировать все аспекты поведения схемы с помощью интерфейсных функций разработки от Cadence и мощного симулятора PSpice. После того, как вы спроектировали свои схемы, вы можете использовать приложение для моделирования PSpice и инструменты симулятора для изучения гистерезисных потерь в трансформаторе и других цепях вашей системы.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов. Вы также можете посетить наш канал YouTube и посмотреть видеоролики о моделировании и системном анализе, а также узнать, что нового в нашем наборе инструментов для проектирования и анализа.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Расшифровка гистерезисных потерь в двигателях постоянного тока с помощью кривой намагничивания BH

Ищете подходящий материал и процесс для вашего металлического проекта? Вы можете многое узнать о свойствах ферромагнитного материала , изучая его петлю магнитного гистерезиса. Вы также можете узнать, как минимизировать потери в машинах постоянного тока (и, возможно, даже в машинах переменного тока!).

Петля гистерезиса показывает взаимосвязь между плотностью индукционного магнитного потока (B) и силой намагничивания (H). Вот откуда берется печально известная кривая BH. Мы объясним алфавитный суп более подробно через минуту.

Если вы полностью знакомы с электромагнитными материалами, забудьте об этой статье. Но если вам интересно, как петля магнитного гистерезиса применима к порошковому металлу и вашему проекту, читайте дальше.

Гистерезисные потери в двигателях постоянного тока: теория магнитного домена

Прежде чем обсуждать типичную кривую BH, стоит кратко остановиться на теории магнитного домена . Это будет быстро — обещаю!

Магнитные домены похожи на зернистую структуру всех металлов, только меньше. Думайте о них как о мини-магнитах внутри материала.

Домены случайным образом ориентированы внутри ненамагниченного ферромагнитного материала, который эффективно нейтрализует любой результирующий магнитный момент.

В полностью магнитонасыщенном материале все домены выровнены в одном направлении (скажем, вверху этой страницы). Полностью размагниченный материал будет иметь различные домены, случайно ориентированные в двух измерениях страницы, нейтрализующие друг друга. Очевидно, что магнетизм — это трехмерное явление, но аналогия все же применима.

Как это связано с кривой намагничивания BH?

Кривая BH (другое название петли гистерезиса) представляет необходимое приложенное поле (ось X), необходимое для достижения определенного уровня магнитной индукции (ось Y). С точки зрения теории доменов, микроскопические домены переориентируются в направлении приложенного поля, тем самым преодолевая часть своей случайной ориентации.

Когда приложено достаточное поле, все домены будут ориентированы в одном направлении и металл достигнет магнитного насыщения . Дальнейшее увеличение приложенного поля не изменит ориентацию домена.

Итак, магнетизм — это не какое-то крупномасштабное изменение в материале, а музыкальное кресло из микроскопических магнитных доменов.

Гистерезисные потери в двигателях постоянного тока Таблица

В приведенной ниже таблице представлены данные для большинства ферромагнитных материалов (полностью размагниченных или подвергнутых магнитному отжигу перед испытанием).

Показывает ток, индуцирующий магнитный поток на материале образца. С увеличением тока увеличивается и индукционный магнитный поток. При нормальных уровнях приложенного поля, когда поле уменьшается до нуля, в образце остается некоторый остаточный магнетизм. Для эффективного размагничивания материала требуется определенный уровень тока в противоположном направлении.

Отсутствие обратимости называется гистерезисом; на самом деле это подразумевает некоторые потери энергии во время цикла намагничивания-размагничивания. Вот почему начальная кривая намагничивания не восстанавливается, когда приложенный ток уменьшается до нуля. Гистерезис постоянен, а постоянные потери в машинах постоянного тока являются формулой неэффективности.

Итак, от каких факторов зависит потеря гистерезиса? Давайте начнем с разбора каждого элемента этой диаграммы, показывающей кривую BH магнитного материала:

● µ max — наклон начальной кривой намагничивания называется «µ» или проницаемостью материала. Часто материал характеризуется максимальной проницаемостью, мк max . Это просто мгновенный максимальный наклон кривой намагничивания.

● Br — остаточный магнетизм для данных условий при выключенном приложенном поле. По сравнению с доменами, о которых мы говорили ранее, это показывает, сколько доменов остается переориентированным в результате приложенного поля.

● Hmax — магнитная сила (измеряется в эрстедах). Это измеряет максимальную магнитную напряженность, приложенную к металлу.

● Bmax — плотность магнитного потока (измеряется в килогауссах). Это определяется как количество магнитного потока в области, взятой перпендикулярно направлению потока.

● Уровень индукции — уровень, до которого материал намагничивается внешним полем. Измеряется в гауссах, килогауссах или теслах.

● Hc — коэрцитивная сила материала. Если у вас есть материал, который нужно повернуть с плюса на ноль, это количество энергии, которое вы должны приложить, чтобы его повернуть. Чем меньше число, тем меньше энергии вы должны потреблять.

● Прикладное поле — сколько тока (т.е. энергии) нужно подать, чтобы получить определенное напряжение? Измеряется в эрстедах.

● Visa bar — идеальный материал будет бесконечно вверх и бесконечно вниз на этой диаграмме без расширения. Это физически невозможно, поэтому эта полоса является мерой того, насколько хорош материал.

Обратите внимание, что кривая BH имеет зеркальный вид выше и ниже оси x. Это означает, что направление тока не изменяет магнитное поведение.

H (в Эрстеде) = (Ток в амперах x 1,777 x Количество витков вторичной обмотки) / длина магнитного пути

Хотя приведенная выше кривая относится к магнитному испытанию постоянным током; его также можно использовать для оценки приложений переменного тока, таких как гистерезисные потери в материалах асинхронных двигателей. Во многих случаях кривая переменного тока начинает искажаться по сравнению с кривой постоянного тока BH. Это искажение является результатом вихревых токов, создаваемых испытуемым материалом.

Петля гистерезиса

Петля гистерезиса показывает, что материалы, содержащие крупные частицы, намагничиваются легче.

Более конкретно и более важно, чтобы материал был магнитомягким, его петля гистерезиса должна быть как можно более тонкой и высокой. Для вашего материала это означает:

Низкая коэрцитивная сила
Высокая магнитная проницаемость
Высокое значение индукции насыщения

Поскольку магнитотвердые материалы трудно размагнитить, их внешнее магнитное поле будет существовать неопределенно долгое время (по крайней мере, до тех пор, пока внешний источник не размагнитит их). По этой причине они используются в приложениях, где постоянное намагничивание является обязательным:

Устройства памяти
Динамики
Датчики
Магнитная запись

Что касается мягких магнитов, их способность легко намагничиваться и размагничиваться делает их идеальными кандидатами для приложений переменного и постоянного тока. Приведенная выше кривая «BH» представляет собой метод для оценки магнитных характеристик материалов как в условиях постоянного, так и переменного тока. Это полезно, потому что быстро показывает магнитные характеристики материала и может быть легко использовано для сравнения его с другими.

Магнитомягкие материалы широко используются в качестве сердечников в трансформаторах и катушках индуктивности для усиления и/или направления создаваемого магнитного потока. Рассеивание энергии в магнитном сердечнике во время цикла его намагничивания и размагничивания называется потерями в сердечнике. Эти потери не являются большой проблемой для жестких магнитов, но они имеют решающее значение для эффективности магнитомягких приложений — и их можно контролировать с помощью правильного выбора материала. Представьте себе точный контроль над потерями в сердечнике статора!

Данные для M47 и M19 основаны на одном ламинировании. Однако большинство статоров двигателей не состоят из отдельных листов. Прочтите дополнительную информацию, чтобы узнать о ламинировании отдельных листов по сравнению с ламинированием в сборе.

Гистерезисные потери

Потери в сердечнике обычно делятся на три типа:

Гистерезисные потери
Потери на вихревые токи
Потери в проводах

Гистерезисные потери возникают из-за движения доменных стенок вперед и назад по петле намагничивания-размагничивания. Наличие примесей, дефектов и других особенностей в металлическом блоке может увеличить эти потери. Они демонстрируют линейную зависимость от частоты приложенного поля.

Потери на вихревые токи — это потери, возникающие при использовании переменного тока с ферромагнитными материалами. Думайте о них как о сопротивлении материала изменяющимся магнитным полям. В частности, вихревые токи противодействуют переменному току и выделяют тепло ферромагнитным материалом. Эти потери могут стать значительными при увеличении рабочей частоты.

Потери в проводе , как следует из названия, являются неэффективностью, вызванной нагревом медного провода. Энергия потребляется во время этого нагрева. Один из способов подумать об этой потере — это то, как нагревается домашний удлинитель, если он был включен долгое время. Однако, в отличие от удлинителя, потери в меди в устройствах переменного тока учитываются в конструкции.

Преимущества материала магнитомягкого двигателя

Теперь, как минимизировать или уменьшить потери на гистерезис? Порошковая металлургия привлекла интерес инженеров и покупателей , стремящихся разработать новые и усовершенствованные электромагнитные продукты для приложений переменного и постоянного тока. Для приложений постоянного тока лучше всего подходят спеченные магнитомягкие материалы. Приложения переменного тока лучше всего реализуются с использованием магнитомягких композитов.

В любом случае, порошковая металлургия становится все более популярной из-за низких производственных затрат, минимального количества отходов и простоты переработки. Растущий интерес к композитам на основе железа в электрических устройствах, таких как двигатели, отчасти объясняется целым рядом впечатляющих свойств.

SMC обладают рядом преимуществ по сравнению с ламинированными стальными листами, например:

Простота придания формы (применения как переменного, так и постоянного тока)
Отличное решение для снижения потерь на вихревые токи (приложения AC/SMC)
Высокая магнитная проницаемость (постоянный ток/спеченные магниты)
Более высокое удельное сопротивление (применения AC/SMC)

BH Кривая намагничивания: порошковый металл против. Электротехническая сталь

Посмотрите на различия в Кривые BH пластин из электротехнической стали и магнитомягких композитов (SMC):

На приведенной выше диаграмме ламинированная сталь фактически представляет собой спеченный материал из чистого железа, уплотненный до плотности 7,2 г/см³. Вывод состоит в том, что магнитный композитный материал имеет более низкую проницаемость и требует большего тока для достижения того же уровня индукции; явный недостаток для SMC.

Вот почему вы слышите критику, что SMC имеют более высокие потери на гистерезис по сравнению со стальными пластинами. Предполагается, что гистерезисные потери выделяют тепло в первой степени частоты.

Но гистерезисные потери являются лишь одним из компонентов общих потерь в устройствах переменного тока. Вторая и часто более важная потеря — это так называемые потери на вихревые токи. Это результат приложенного переменного тока, индуцирующего циркулирующие токи внутри ферромагнитного материала.

Предполагается, что потери от вихревых токов выделяют тепло, пропорциональное рабочей частоте, возведенной во вторую степень. Это означает, что потери на вихревые токи часто преобладают на более высоких частотах.

( Примечание : Одно магнитное свойство, не упомянутое выше? Индукция насыщения или максимальный магнитный поток, который может сохранять материал. Это функция плотности. Обработка не изменит эту характеристику. )

Сравнение Кривые намагничивания BH по частоте

Сравнительно недавняя экспериментальная работа рассматривала кривую гистерезиса для материала SMC при различных частотах. Цель? Чтобы увидеть, как кривая BH меняет форму с изменением частоты. На следующей диаграмме показано, как кривые BH сравниваются на разных частотах:

Мы думаем, что эта диаграмма показывает, что для магнитомягких порошковых материалов форма и относительное положение ЧД для каждой частоты почти точно совпадают друг с другом. Это означает, что основные потери для СМК на испытанных частотах являются почти исключительно гистерезисными потерями.

Да, невозможно полностью исключить все потери на вихревые токи, но они являются незначительным вкладом в SMC до предела, предусмотренного конструкцией
. Вот почему SMC превосходит многослойную сталь в высокочастотных приложениях.

Теперь давайте подумаем о том, как можно улучшить различные магнитные свойства, представленные кривой BH, и, следовательно, повысить производительность вашего продукта :

Проницаемость компонентов

Вы можете улучшить проницаемость компонентов с помощью

Увеличение плотности
Легирование железа фосфором или кремнием
Сведение к минимуму поглощения углерода или азота во время спекания
Повышение чистоты железа
Сведение к минимуму любой последующей обработки детали (размеры, механическая обработка и т. д.)

Некоторые из этих качеств относятся как к магнитомягким композитам, так и к спеченным магнитомягким материалам. Если деталь требует вторичной обработки, ее можно отжечь, чтобы избежать побочных эффектов.

Максимальная индукция материала

Максимальную индукцию можно улучшить следующим образом:

Увеличение плотности детали
Повышение чистоты железного материала
Сведение к минимуму любой последующей обработки

Остаточный магнетизм

Остаточный магнетизм (ч) можно улучшить с помощью тех же факторов, которые улучшают проницаемость. Также называемый остаточной намагниченностью, его можно использовать для обеспечения магнитной памяти в магнитных запоминающих устройствах.

Коэрцитивная сила

Коэрцитивная сила может быть снижена:

Легирование фосфором или кремнием
Сведение к минимуму поглощения углерода или азота во время спекания
Сведение к минимуму любой последующей обработки

Хотите узнать больше о магнитомягких материалах?

Характеристики магнитно-мягких композитов и их соответствие вашим требованиям к дизайну сильно отражаются в петле гистерезиса.

Если вам нужна дополнительная помощь в понимании того, как магнетизм и выбор материала влияют на производительность вашего продукта, свяжитесь с нами.

Если вы или ваша команда инженеров хотите провести дополнительные исследования в области магнетизма и материалов, попробуйте эти дополнительные материалы о взаимосвязи магнетизма и порошковых металлов, а также наши бесплатное визуальное руководство по SMC и КПД двигателя.

Что такое магнитомягкий композит?
ASTM A314/A 341M — Метод испытания магнитных свойств материалов на постоянном токе
ASTM A 811 — Спецификация деталей из магнитомягкого железа, изготовленных по технологии PM
ASTM A 712 — Метод испытания удельного электрического сопротивления магнитомягких материалов
Стандарт MPIF 35
«Ферромагнетизм» Ричарда М. Бозорта
«Мягкий магнетизм, основы порошковой металлургии и литья металлов под давлением», Chaman Lall.