Магнитные потери

Процесс намагничивания магнитных материалов в переменном поле связан с потерями части мощности магнитного поля. Эту мощность, поглощаемую единицей массы магнитного материала и рассеиваемую в виде тепла, называется удельными магнитными потерямиP, которые, в свою очередь, складываются из потерь на гистерезис и динамические потери. Динамические потери вызываются, прежде всего, вихревыми токами и частично магнитным последействием (магнитной вязкостью).

Потери на гистерезисесвязаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением доменных границ. Потери на гистерезис создаются в процессе смещения стенок доменов на начальной стадии намагничивания. Вследствие неоднородности структуры магнитного материала на перемещение стенок доменов затрачивается магнитная энергия. Для каждого материала они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменного магнитного поля. Мощность потерьP_г, Вт/кг, расходуемая на гистерезисе единицей массы материала, определяется формулой

где η – коэффициент, зависящий от природы материала;

B_m– максимальная магнитная индукция в течение цикла;

n– показатель степени, имеющий значение в зависимости отBв пределах от 1.6 до 2;

f– частота.

Чтобы уменьшить потери на гистерезис, используют магнитные материалы с возможно малой коэрцитивной силой.

Потери на вихревые токи обусловлены электрическими токами, которые индуцируют в материале магнитный поток. Эти материалы зависят от электрического сопротивления магнитного материала и формы сердечника. Чем больше удельное электрическое сопротивление магнитного материала, тем меньше потери на вихревые токи.

где ξ – коэффициент, зависящий от природы магнитного материала, а также его формы.

Для борьбы с вихревыми токами увеличивают электрическое сопротивление сердечника (магнитопроводов). С увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис, и при какой-то частоте начнут преобладать над потерями, вызванными гистерезисом.

Потери, вызванные магнитным последействием (магнитной вязкостью), - это свойство магнитных материалов проявлять зависимость запаздывания изменения индукции, происходящее под действием изменяющегося магнитного поля, от длительности воздействия этого поля. Эти потери обусловлены в первую очередь инерционностью процессов перемагничивания доменов. С уменьшением длительности приложения магнитного поля запаздывания и, следовательно, магнитные потери, вызванные магнитным последействием, увеличиваются, поэтому их необходимо учитывать при использовании магнитных материалов в импульсном режиме работы.

Мощность потерь P_МП, вызванную магнитным последствием, определяется как разность между удельными магнитными потерямиPи суммой потерь на гистерезисP_Г и вихревые токиP_ВТ:

При перемагничивании в переменном поле имеет место отставание по фазе магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Происходит это в результате действия вихревых токов, препятствующих, в соответствии с законом Ленца, изменению магнитной индукции, а также из-за гистерезисных явлений и магнитного последействия. Угол отставания называют углом магнитных потерь и обозначают δ_М. Для характеристики динамических свойств магнитных материалов используют тангенс угла магнитных потерьtgδ_М. На рисунке представлена последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма тороидальной катушки индуктивности с сердечником из магнитного материала. Активное сопротивлениеr₁эквивалентно всем видам магнитных потерь, потерям в обмотке и электрической изоляции.

Если пренебречь сопротивлением обмотки катушки и ее собственной емкостью, то из векторной диаграммы получим

где ω – угловая частота;

L– индуктивность катушки;

Q– добротность катушки с испытуемым магнитным материалом.

Уравнение показывает, что тангенс угла магнитных потерь является величиной, обратной добротности катушки.