9. Потери в ферромагнитных сердечниках при периодическом изменении магнитного потока

Эти потери складываются из потерь на вихревые токи и на гистерезис. Сердечники набирают из тонких листов железа, покрытых лаком (рис. 11.3). Лак служит изоляцией, поэтому потери на вихревые токи уменьшаются. Ток i_e, протекающий по катушке, намотанной на сердечник, создает магнитное поле   , которое проходит по сердечнику вдоль листов.

Это поле индуцирует в сердечнике вихревой ток. Поперечное сечение этой трубки вихревого тока равно ldx, длина трубки ~ 2h. Поле вихревого тока   направленно против поля катушки   . Т.о., в сердечнике действует результирующее поле с индукцией   . Это результирующее поле распределено неравномерно по полю сердечника, т.к. вихревое поле имеет наибольшее значение вдоль оси сердечника. Здесь мы будем пренебрегать этой неравномерностью и полагать, что   всюду по сечению одно и то же.

Рассчитаем ЭДС, индуцируемой вдоль трубки:

 ,

обозначим   , тогда   , где   - коэффициент формы кривой ЭДС.

Действующее значение ЭДС, индуцируемой вдоль трубки, равно:

 ,

Коэффициент формы поля:

 .

В случае синусоиды   ;   ,   , тогда действующее значение равно

 .

Потери внутри трубки тока равны:   , где   - проводимость трубки.

 .

Проинтегрируем полученное выражение.

 , (11.1)

где V=hld – объем сердечника.

Таким образом, потери на вихревые токи при условии   =const пропорциональны квадрату частоты, квадрату амплитуды магнитной индукции, квадрату толщины сердечника и первой степени удельной проводимости. Если сердечник набран из проволок круглого сечения с диаметром d, оси которых направлены вдоль магнитного поля, то в формуле (11.1), вместо 4/3, имеем коэффициент 1/2. Поэтому в общем виде можно записать:

 .

 Было показано, что ферромагнитный сердечник, находящийся в периодическом изменяющемся во времени внешнем магнитном поле, перемагничивается. Это перемагничивание происходит по гистерезисной петле (рис. 11.4), причем, каждой петле соответствует один период изменения внешнего магнитного поля. Поскольку перемагничивание связано с поворотом элементарных токов (магнитов) тела под действием внешнего магнитного поля, то источнику внешнего магнитного поля приходится совершать работу. Эта работа выделяется в теле в виде потерь, называемых потерями на гистерезис. Эти потери в единице объема тела за один цикл перемагничивания оказываются равными площади гистерезисной петли.

 .

Штейнмец предложил экспериментальную формулу вида:

 ,

где   - амплитуда магнитной индукции,   - коэффициент, зависящий от рода материала.

Формула Штейнмеца дает удовлетворительное согласие с экспериментом при   . При   , а также при   лучшее приближение дает формула:

 .

Обе формулы можем объединить в одну:

 . (11.2)

При большой частоте изменения напряженности магнитного поля вид петли B=f(H) отличается от статической петли гистерезиса, получаемой при медленных изменениях напряженности магнитного поля, т.к. при этом магнитная индукция является функцией не только Н, но и   . Причиной этого являются вихревые токи и магнитная вязкость. Площадь динамической петли, выражающей B=f(H), определяет полные потери в единице объема вещества на перемагничивание и на вихревые токи за один период изменения напряженности магнитного поля.

При промышленной частоте (50 Гц) потери на гистерезисе можно вычислить независимо от потерь на вихревые токи на основе формулы (11.2)

 .

Таким образом, суммарная мощность потерь в сердечнике определяется по формуле:

 .

Определив (например, экспериментально)   при двух различных частотах (f₁, f₂) и одном значении магнитной индукции   , можно разделить   и   .

 , (11.3)

 . (11.4)

Умножим уравнение (11.3) на   , а уравнение (11.4) на -   , и найдем их разность (   ):

 ,

Получили формулу для потерь на вихревые токи:

 .

Затем умножим уравнение (11.3) на   , а уравнение (11.4) на -   , и найдем их разность (   ):

 ,

Получили формулу для потерь на гистерезис:

 .