какие виды потерь в магнитных материалах вам известны
Основные виды магнитных потерь
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением энергии магнитного поля в теплоту. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями. Характеризуется удельными магнитными потерями.
Различаются два основных вида магнитных потерь — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса, пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах есть еще — дополнительные потери на магнитное последействие.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. Наиболее выгодны ферримагнитные материалы, которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы могут легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния.
Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.
Различают железо электролитическое и карбонильное.
Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.
Карбонильное железо используется в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.
Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.
По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные и на текстурованные, вследствие чего они являются анизотропными.
По содержанию кремния электротехнические листовые стали делятся на:
— стали с содержанием кремния от 0,7 до 1,8%. Используются для изготовления деталей электрических машин, работающих в постоянном магнитном поле;
— стали с содержанием кремния от 1,8 до 2,8%. Используются в электрических машинах переменного тока;
— стали с содержанием кремния от 2,8 до 4,8%. Используются, главным образом, для изготовления магнитопроводов трансформаторов.
Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)
Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость, необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.
Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах.
Какие виды потерь в магнитных материалах вам известны
5.5.3 Магнитные потери
Эти потери энергии, вызывающие нагрев материала, возникают при перемагничивании ферромагнетиков в переменных полях. В общем случае потери на перемагничивание складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и магнитное последействие. Вкладом последнего механизма в разогрев ферромагнетика обычно можно пренебречь.
Потери на гистерезис (в Дж/м 3 ) за один цикл перемагничивания (т.е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса, т.е. петли, полученной при медленном изменении магнитного потока:
 | (5.9) |
Для вычисления этих потерь можно использовать эмпирическую формулу:
 |
где η – коэффициент, зависящий от свойств материала;
Bmах – максимальная индукция, достигаемая в данном цикле;
Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами перемагничивания.
Вихревые токи и сопутствующие им потери возникают в проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Отсюда вытекает отличие статических петель гистерезиса от динамических: если статические характеризуют лишь потери на гистерезис, то динамические включают суммарные потери на гистерезис и вихревые токи, т.е. при намагничивании переменным полем петля гистерезиса расширяется. При этом потери на гистерезис ЭГ за один период изменения внешнего поля остаются постоянными в достаточно широком диапазоне частот, а потери на вихревые токи ЭВТ возрастают пропорционально частоте (рисунок 5.15).
Рисунок 5.15 – Зависимость потерь на перемагничивание ферромагнетика за один период изменения внешнего поля от его частоты
Для практических целей более важной характеристикой является активная мощность, выделяющаяся в ферромагнетике при его перемагничивании, т. е. энергия, расходуемая в единицу времени. Мощность, обусловленная потерями на вихревые токи, определяется эмпирической формулой следующего вида:
 | (5.11) |
где V – объем образца;
– коэффициент, пропорциональный удельной проводимости вещества и зависящий от геометрической формы и размеров поперечного сечения намагничиваемого образца.
Например, для листового образца формула принимает вид:
 , | (5.12) |
С учетом (5.10) для мощности, обусловленной потерями на гистерезис, можно записать:
 | (5.13) |
Поскольку величина РВТ зависит от квадрата частоты, а величина РГ — от частоты в первой степени, при высоких частотах учитываются в первую очередь потери на вихревые токи.
Вихревые токи всегда возникают в плоскости, расположенной перпендикулярно магнитному полю (рисунок 5.16, а). Под действием переменного магнитного потока в любом цилиндрическом контуре, ориентированном вдоль оси сердечника, возникает ЭДС самоиндукции, пропорциональная частоте изменения поля.
Рисунок 5.16 – Схема распределения вихревых токов в поперечном сечении ферромагнитного сердечника:
а – сплошной сердечник; б – сборный сердечник
Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать магнитный материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких листов, изолированных друг от друга. В случае сборного сердечника плоскости листов должны быть направлены вдоль линий магнитной индукции, как показано на рисунке 5.16,б.
Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Изменение намагниченности ферромагнетиков после включения или отключения внешнего поля происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени – от долей миллисекунды до нескольких минут. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одной из основных причин магнитного последействии является тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические препятствия (барьеры), мешающие их свободному смещению при изменении поля. Это явление называется магнитной вязкостью. Магнитотвердые материалы, у которых время τмагнитной релаксации может достигать нескольких минут, обладают сверхвязкостью.
Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.
Потери на магнитную вязкость (магнитное последействие) обычно находят как разность между полными потерями и суммой потерь на гистерезис и вихревые токи.
Также по аналогии с диэлектриками, у ферромагнетиков существует угол магнитных потерь. В слабых полях и на высоких частотах динамическая петля гистерезиса вследствие отставания индукции от напряженности поля на угол δМ имеет форму эллипса. Магнитная индукция может быть разложена на две составляющие, одна из которых совпадает по фазе с напряженностью поля, а вторая – отстает от нее на угол π/2:
 ; | (5.14) |
 . | (5.15) |
Потери на перемагничивание обусловлены лишь составляющей Bmax2.
Магнитные проницаемости, определяемые этими составляющими, называются соответственно упругой магнитной проницаемостью μ¢ и вязкой магнитной проницаемостью μ² :
 ; | (5.16) |
 . | (5.17) |
Их отношение соответствует тангенсу угла магнитных потерь:
 | (5.18) |
Тангенс угла магнитных потерь можно выразить через параметры эквивалентной схемы, в которой индуктивная катушка с сердечником из магнитного материала заменяется последовательной цепочкой из индуктивности L и активного сопротивления r, эквивалентного всем видам потерь на перемагничивание (рисунок 5.17). Собственной емкостью и сопротивлением обмотки индуктивной катушки при этом пренебрегают. Тогда
 | (5.19) |
Величина, обратная tgδμ, называется добротностью сердечника.
Рисунок 5.17 – Эквивалентная схема и векторная диаграмма индуктивной катушки с магнитным сердечником
В ферромагнетиках имеет место поверхностный эффект. В соответствии с законом Ленца вихревые токи, индуцируемые в ферромагнетике, стремятся воспрепятствовать тем изменениям, которые их вызывают. Поэтому собственное магнитное поле вихревых токов всегда стремится ослабить изменение основного магнитного потока, т.е. вихревые токи оказывают размагничивающее действие на сердечник, что проявляется в уменьшении индукции и эффективной магнитной проницаемости.
Это размагничивающее действие вихревых токов неодинаково в различных частях сечения (см. рисунок 5.16,а) и наиболее резко выражено в центральных его частях, так как они охватываются наибольшим числом контуров вихревых токов. В центре сечения магнитодвижущая сила, обусловленная вихревыми токами, равна сумме магнитодвижущих сил, создаваемых всеми контурами вихревых токов, а на поверхности сердечника она равна нулю. Поэтому переменный магнитный поток неравномерно распределяется по сечению магнитопровода; магнитная индукция имеет наименьшее значение в центральных частях сечения, т.е. вихревые токи экранируют центральный объем сердечника от проникновения в него магнитного тока. Вытеснение магнитного поля на поверхность проявляется тем сильнее, чем больше частота его изменения, а также магнитная проницаемость и удельная проводимость намагничиваемой среды.
Затухание электромагнитной волны при ее распространении в проводящей среде используется при создании электромагнитных экранов, которые служат для защиты электронных схем и электроизмерительных приборов от внешних наводок, а также для защиты радиоэфира от помех, создаваемых генераторными устройствами. Для эффективной защиты толщина стенок экрана должна превышать, по крайней мере, глубину Δ проникновения электромагнитного поля в вещество. На радиочастотах практически непроницаемыми являются экраны из хорошо проводящих металлов – меди, латуни и алюминия, однако на низких частотах такие экраны неэффективны, поскольку необходимы очень толстые стенки (например, у меди на частоте 50 Гц Δ ≈ 1 см). В этих случаях как раз используются экраны из ферромагнитных материалов, особенно из пермаллоя, обладающего весьма высокой магнитной проницаемостью.
© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014
Потери в магнитопроводе
Потери в магнитопроводе возникают при воздействии на него переменного магнитного поля. Потери энергии зависят от частоты этого поля. Потери в магнитопроводе бывают статическими (при перемагничивании материала) и динамическими (из-за протекания тока по магнитному материалу).
Статические потери энергии вызываются перемагничиванием магнитопровода. Магнитный поток, проходя по сердечнику катушки индуктивности или трансформатора разворачивает все домены то по направлению магнитного поля, то в противоположном направлении, при этом поле совершает работу: раздвигается кристаллическая решётка, при этом выделяется тепло и магнитный сердечник разогревается. Статические потери пропорциональны площади петли гистерезиса магнитного материала, подаваемой частоте и весу сердечника:
Статические потери по другому называются потери на гистерезис. Чем уже петля гистерезиса, тем меньше статические потери. При уменьшении толщины стальной ленты магнитопровода возрастает Нс, увеличивается площадь петли гистерезиса, и статические потери возрастают. При увеличении частоты магнитного поля уменьшается μа, что тоже приводит к возрастанию потерь на гистерезис.
Динамические потери — это потери энергии в магнитопроводе из-за вихревых токов. График петли гистерезиса, снятый на постоянном токе () называется статической петлей гистерезиса. С увеличением частоты fc на этот график начинают оказывать действие вихревые токи.
Ферромагнетик (сталь) — хороший электропроводник, поэтому магнитный поток, проходя по сердечнику наводит в нём токи, которые охватывают каждую магнитную силовую линию. Эти токи создают свои магнитные потоки, направленные навстречу основному магнитному потоку. Результат сложения наведённых токов в толще магнитопровода такой, что суммарный ток как бы вытесняется к краям массивного магнитопровода, как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Вихревые токи в ферромагнетике
Между силовыми линиями токи компенсируются и, в результате, ток протекает только по периметру. Сталь имеет малое омическое сопротивление, поэтому ток достигает значений сотен и тысяч ампер, вызывая разогрев магнитопровода. Для уменьшения вихревых токов необходимо увеличить омическое сопротивление, что достигается набором сердечника из изолированных пластин. Чем тоньше пластина (лента), тем выше её сопротивление и меньше вихревые токи. В зависимости от рабочей частоты толщина (Δ) пластин (ленты) различна. В таблице 1 приведена зависимость толщины пластин от частоты сети
Общие потери в магнитопроводе (РМАГ) равны сумме статических и динамических потерь:
В справочниках на магнитные материалы потери Рг и Рв не разделяют, а приводят суммарные потери на 1 кг материала — Руд [Bт/кг]. Итоговые потери находят простым умножением удельных потерь на вес сердечника
Поскольку потери являются многопараметрической величиной, то в справочниках приводятся таблицы или графические зависимости удельных потерь от того или иного параметра. Например, на рисунке 2 показаны зависимости потерь от индукции для стали толщиной на частоте для разного типа проката.
Рисунок 2. Зависимость потерь в электротехнической стали от индукции
Для других частот такие зависимости будут иными. Если режим эксплуатации магнитопровода не соответствует режиму измерения потерь, то потери можно пересчитать на требуемый режим по эмпирической, но вполне пригодной формуле:
В таблице 2 приведены примерные удельные потери некоторых ферромагнитных материалов, применяемых в магнитопроводах трансформаторов и катушек индуктивности.
Видно, что потери в пермаллое зависят от толщины ленты. Потери в ферритах на высокой частоте меньше, чем на низкой частоте из-за снижения потерь на гистерезис. Обычно вопрос о выборе материала для сердечника решается с позиции наименьших потерь мощности.
Дата последнего обновления файла 16.05.2021
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Потери в магнитопроводе» читают:
Основные виды магнитных потерь
Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле сопровождается превращением определенной части энергии магнитного поля в теплоту, что внешне проявляется в нагреве магнитного материала. Эта энергия за единицу времени называется магнитными потерями. Она обычно характеризуется удельными магнитными потерями pуд, Вт/кг, или тангенсом угла магнитных потерь tgδм.
С точки зрения механизма возникновения потерь различаются два основных вида магнитных потерь — потери на гистерезис и потери на вихревые токи.
Потери па гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимыми перемещениями доменных границ. Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса. Так как гистерезисный цикл и связанные с ним потери повторяются в течение каждого периода, потери на гистерезис пропорциональны частоте переменного магнитного поля.
Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, которые магнитный поток индуктирует в магнитном материале. Они пропорциональны квадрату частоты магнитного поля, а потому при высоких частотах являются ограничивающим фактором применения магнитных материалов.
В очень слабых магнитных полях и, как правило, в магнитомягких материалах различают еще одинмеханизммагнитных потерь — дополнительные потери на магнитное последействие (магнитную вязкость). Физическая сущность этого механизма пока еще недостаточно ясна.
Для работы в переменных магнитных полях используют материалы, которые имеют очень узкую петлю гистерезиса, т.е. очень малую коэрцитивную силу. Например, коэрцитивная сила такого материала, как супермаллой, равна 0,2 А/м. Кроме того, принимаются различные меры для уменьшения вихревых токов. Общей целью этих мер является повышение удельного электрического сопротивления магнитных материалов. Например, в электротехнических сталях повышение удельного электрического сопротивления достигается примесью кремния в концентрации до 5%. Эти материалы изготавливаются в виде тонких листов, поверхность которых электрически изолируется. В порошковых магнитных материалах частицы самого магнитного материала покрыты соответствующим электроизоляционным материалом. С этой точки зрения наиболее выгодны ферримагнитные материалы (ферриты), которые по значению удельного сопротивления могут быть отнесены к полупроводникам и даже диэлектрикам.
Магнитомягкие материалы отличаются способностью легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют узкую петлю гистерезиса, малую коэрцитивную силу, высокие значения начальной и максимальной магнитной проницаемости, большую магнитную индукцию насыщения и малые удельные магнитные потери.
Свойства и область применения технически чистого железа, а также листовых электротехнических сталей с разным содержанием кремния
Технически чистым железом считается железо, содержащееменее 0,1% углерода и очень малое количество других примесей.
В зависимости от способа изготовления чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.
Электролитическое железо применяется в постоянных полях, когда требуется большая индукция насыщения.
Карбонильное железо используется, главным образом, в виде порошка для изготовления сердечников в высокочастотной электротехнике.
Листовые электротехнические стали изготавливаются из кремнистых сталей с содержанием углерода менее 0,05% и кремния от 0,7 до 4,8%.
По способу прокатки электротехнические листовые стали делятся на обычные (горячекатаные), которые имеют изотропные свойства, и на текстурованные (холоднокатаные), которые имеют магнитную текстуру, вследствие чего они являются анизотропными.
По содержанию кремния электротехнические листовые стали делятся на:
— стали с содержанием кремния от 0,7 до 1,8%. Используются для изготовления деталей электрических машин, работающих в постоянном магнитном поле;
— стали с содержанием кремния от 1,8 до 2,8%. Используются в электрических машинах переменного тока;
— стали с содержанием кремния от 2,8 до 4,8%. Используются, главным образом, для изготовления магнитопроводов трансформаторов.
Свойства и область применения сплавов с высокой начальной магнитной проницаемостью (пермаллои), с постоянной магнитной проницаемостью (перминвары) и с большой магнитной индукцией насыщения (пермендюры)
К материалам с высокой начальной проницаемостью относится группа сплавов железа и никеля с содержанием никеля от 35 до 80%, известных под названием пермаллои. Наряду с совершенно чистым железом это наиболее ярко выраженные магнитомягкие материалы вообще. Сплав супермаллой с приблизительным составом 79% Ni, 15% Fе, 5% Мо, 0,5% Мn имеет максимальную относительную проницаемость до 2 10 6 при незначительной коэрцитивной силе Hс=0,2 А/м.
Недостатками сплавов типа пермаллоя являются их относительно высокая стоимость (содержат дефицитные металлы), необходимость сложной термообработки и сильная зависимость свойств от механических воздействий.
Наибольшей магнитной индукцией насыщения наряду с кремнистыми электротехническими сталями с низким содержанием кремния отличаются материалы типа пермендюр на основе железокобальтовых сплавов, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Тл, т.е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков. Удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Это сплавы железа с кобальтом при содержании кобальта от 49 до 70%, легированные ванадием (2%).
Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специализированной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т.д.
Свойства и область применения сплавов со специальными свойствами (термокомпенсационные сплавы, сплавы для изготовления постоянных магнитов на основе металлов)
|
-40 0 40 80 120 16О СИз них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность магнитных свойств цепей с постоянным магнитом. С ростом температуры магнитный поток в рабочем зазоре постоянного магнита падает. Это изменение компенсируется увеличением магнитного сопротивления магнитного шунта.
Известными термокомпенсационными сплавами являются пермаллой с содержанием никеля 30%, в котором значение температуры точки Кюри регулируется небольшими изменениями содержания никеля, а также сплав железа с никелем (30%) и молибденом (2%).
Для изготовления постоянных магнитов используются магнитотвердые материалы, которые отличаются высокими значениями удельной магнитной энергии, а следовательно, и энергетического произведения (ВН)тах. Они, как правило, имеют высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции. С точки зрения структуры для них типичны внутренние напряжения и большое количество различных дефектов, которые затрудняют перемещение доменных границ. В ряде случаев в материалах преднамеренно создаются однодоменные области, которые можно перемагнитить только путем изменения направления намагничивания, что требует значительной энергии. Поэтому такие материалы имеют большую коэрцитивную силу.
Самыми старыми материалами для постоянных магнитов являются мартенситные стали. В настоящее время используются только легированные мартенситные стали, несущие названия в соответствии с названием легирующей присадки: хромовые (до 3% Сr), вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Со). В настоящее время доля магнитов, изготавливаемых из мартенситных сталей, составляет менее 10%.
Самое большое количество постоянных магнитов изготавливается из сплавов типа Аl-Ni и Аl-Ni-Co.
Имеют большое значение и магнитотвердые сплавы типов Fе-Со-Мо, Fе-Со-V, Сu-Ni-Fе (анизотропный), Сu-Ni-Со, Аg-Мn-Аl и др.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет