Die Geheimnisse der B-H-Kurve entschlüsseln: Hystereseverluste in Gleichstrommotoren

"B-H-Kurve", "Magnetisierungskurve" und "Hystereseverlust" - diese Begriffe scheinen kompliziert zu sein, aber das Verständnis dieser Begriffe ist äußerst wichtig, wenn man sich mit irgendeiner Art von Motor beschäftigt, insbesondere mit einem Gleichstrommotor. Dieser kurze Artikel ist für Sie, wenn Sie sich schon einmal gefragt haben, was diese Kurven bedeuten und warum sie wichtig sind. Wir schauen uns die berühmte B-H-Kurve an, sehen genau, wie sie die magnetischen Eigenschaften eines Materials zeigt, und erfahren, warum Hystereseverluste in Ihrem Motor ein echter Energieverschwender sein können.

Was ist diese B-H-Kurve, über die ich immer wieder lese, für die Magnetisierung?

Betrachten Sie sie als eine Karte, die zeigt, wie sich ein magnetisches Material verhält, wenn Sie versuchen, es zu einem Magneten zu machen. Das "H" auf dieser Kurve steht für die Magnetisierungskraft (oder Magnetfeldstärke). Dabei handelt es sich um die Kraft, die man aufbringt, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, z. B. durch eine Drahtspule, durch die elektrischer Strom fließt. Das "B" auf der B-H-Kurve steht für die magnetische Flussdichte. Diese gibt genau an, wie stark das elektromagnetische Feld im Inneren des magnetischen Materials selbst ist. Diese Magnetisierungskurve ist für die Erkennung von Magnetismus unerlässlich. Die B-H-Kurve stellt also diesen Zusammenhang dar. Wenn Sie die Magnetisierungskraft (H) erhöhen, wird die magnetische Flussdichte (B) im Material magnetisiert und steigt ebenfalls an. Diese erste Kontur wird häufig als Anfangsmagnetisierungskurve bezeichnet. Die Steilheit dieser Kurve gibt Aufschluss über die Permeabilität des Materials, d. h. darüber, wie leicht der magnetische Fluss aufgebaut werden kann. Eine gute B-H-Kurve hilft uns bei der Auswahl des richtigen ferromagnetischen Materials, etwa für einen Elektromagneten oder Teile eines Motors. Die B-H-Kurve ist grundlegend für die Erkennung der Magnetisierung. Diese B-H-Kurve ist bei vielen Produkten nicht nur eine einfache Linie. Die Art und Weise, wie die Magnetisierung abläuft und sich anschließend wieder auflöst, ist etwas Besonderes, und hier kommt das Konzept der Schleife ins Spiel. Wir schauen uns diese B-H-Kurve sehr oft an, wenn wir Elektromotoren entwickeln und Trafokerne. Die B-H-Kurve zeigt die magnetischen Eigenschaften eines Produkts wie Siliziumstahl. Sie ist eine wichtige Kurve für Ingenieure.

Warum hält sich mein magnetisches Produkt nicht an den geraden Verlauf der B-H-Kurve?

Hier kommt der "Hysterese"-Teil des Hystereseverlustes ins Spiel. Hysterese bedeutet "hinterherhinken". Die Magnetisierung des Materials hält sich nicht perfekt an den Magnetisierungsdruck, wenn sich dieser ändert. Die B-H-Kurve zeigt diese Verzögerung. Wenn man die Magnetisierungskraft in positiver Richtung erhöht, steigt die magnetische Flussdichte entlang einer Kurve an. Verringert man jedoch die Magnetisierungskraft wieder auf Null, kehrt die magnetische Flussdichte nicht entlang der gleichen Kurve auf Null zurück. Das Material ist magnetisiert und behält einen Teil seiner Magnetisierung bei. Dieses "Gedächtnis" ist ein entscheidendes Merkmal, das die B-H-Kurve offenbart. Dieser Verzögerungseffekt dient hauptsächlich dazu, die B-H-Kurve und die Wohneigenschaften eines Materials zu erkennen. Diese Verzögerung entsteht durch winzig kleine Stellen innerhalb des ferromagnetischen Produkts, die man als magnetische Domänen bezeichnet. Stellen Sie sich diese als kleine Magnete vor. Wenn man ein äußeres elektromagnetisches Feld anlegt, richten sich diese magnetischen Domänen auf. Doch wenn man das elektromagnetische Feld ausschaltet, kehren sie sich nicht alle vollständig um. Dieser Umwandlungswiderstand führt zu der einzigartigen Form der B-H-Kurve oder B-H-Kurve.

Was genau ist also ein Hystereseverlust?

Da wir wissen, dass das magnetische Material verzögert, was ist ein Hystereseverlust? Nun, jedes Mal, wenn die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials diesen verzögerten Zyklus durchläuft - erst wird es auf die eine Art magnetisiert, dann auf die andere, wie in einem Wechselstromkreis oder einem rotierenden Motor - geht etwas Energie verloren. Diese verlorene Energie zeigt sich als Wärme in dem magnetischen Produkt. Dies ist der Hystereseverlust. Dieser Verlust hängt von dem magnetischen Material selbst ab. Stellen Sie sich vor, Sie drücken und ziehen etwas, das eine große Reibung hat. Sie würden Energie verbrauchen, und diese Energie würde sich sicherlich in Wärme umwandeln. Das ist vergleichbar mit den Magnetisierungs- und Entmagnetisierungszyklen in einem magnetischen Material. Die B-H-Kurve bildet eine Schleife, und die Fläche innerhalb dieser magnetischen Hystereseschleife gibt die Verlustmenge pro Zyklus an. Eine größere Schleife auf der B-H-Kurve bedeutet einen noch größeren Hystereseverlust. Dieser Hystereseverlust ist bei Geräten wie einem Transformator und Gleichstrommaschinen sehr wichtig zu berücksichtigen. Bei diesem Hystereseverlust handelt es sich um eine Art von Leistung, die in Form von Wärme innerhalb des Produkts abgeführt wird. Er ist einer der Faktoren, die Motoren und Transformatoren gemütlich machen. Die Minimierung der Hystereseverluste ist ein wichtiges Ziel für Ingenieure, um die Effizienz von Geräten zu erhöhen. Der Hystereseverlust kann ein großes Problem darstellen, wenn er nicht in den Griff zu bekommen ist, insbesondere wenn es um Siliziumstahl in einem Motor geht.

Können Sie mir zeigen, wie eine magnetische Hystereseschleife aussieht?

Die B-H-Kurve, die dieses verzögerte Ergebnis zeigt, wird als magnetische Hystereseschleife (oder B-H-Hystereseschleife) bezeichnet. Wir wollen sie abbilden. Wir beginnen mit einem ferromagnetischen Material, das nicht magnetisiert ist. Wenn wir eine Magnetisierungskraft (H) in positiver Richtung anwenden, erhöht sich die magnetische Flussdichte (B). Dies ist die anfängliche Magnetisierungskurve. Irgendwann ist das Material vollständig magnetisiert; es erreicht den Sättigungspunkt. Wenn wir nun die Magnetisierungskraft (H) wieder auf Null reduzieren, geht die magnetische Flussdichte (B) höchstwahrscheinlich nicht auf Null zurück! Die Kurve zeigt, dass das ferromagnetische Produkt immer noch eine gewisse Magnetisierung aufweist. Dies wird als Restmagnetismus oder Remanenz bezeichnet. Um die magnetische Flussdichte wieder auf Null zu bringen, müssen wir eine magnetisierende Kraft in umgekehrter Richtung aufbringen. Die Größe dieser umgekehrten Kraft wird als Koerzitivkraft bezeichnet. Die magnetische Hystereseschleife zeigt diesen gesamten Magnetisierungsprozess. Wenn wir die Magnetisierungskraft weiterhin in negativer Richtung anwenden, wird das Material mit Sicherheit wieder in die Sättigung gelangen, allerdings mit entgegengesetzten Magnetpolen. Wenn man dann H wieder auf Null bringt und erneut in die positive Richtung, schließt sich die magnetische Hystereseschleife. Diese Kurve, die magnetische Hystereseschleife, ist ein Fingerabdruck des magnetischen Produkts, wie Siliziumstahl. Der Bereich der magnetischen Hystereseschleife ist entscheidend. Die Kurve des ferromagnetischen Kerns entspricht den Typen dieser Schleife.

Wie wirkt sich dieser Hystereseverlust auf die Leistung meines Gleichstrommotors aus?

In einem Gleichstrommotor ändern die Komponenten des ferromagnetischen Materials (wie der aus Siliziumstahl gefertigte Kern) ständig ihre Magnetisierung, wenn sich der Motor dreht. Jedes Mal, wenn sich die Magnetisierung ändert, wird diese magnetische Hystereseschleife auf der B-H-Kurve nachgezeichnet. Und wie wir herausgefunden haben, steht die Fläche dieser Schleife für die als Wärme abgegebene Leistung - den Hystereseverlust. Dieser Hystereseverlust zeigt an, dass Ihr Motor mehr Leistung benötigt, um die gleiche Arbeit zu verrichten. Diese unerwünschte Wärme durch den Hystereseverlust kann ein Problem darstellen. Sie kann dazu führen, dass der Motor weniger effektiv arbeitet. Übermäßige Wärme kann mit der Zeit auch die Isolierung oder die Lager des Motors beschädigen. Für eine gute Motorkonstruktion, insbesondere bei Gleichstrommaschinen, sollten wir daher ein magnetisches Material wählen, das einen geringen Hystereseverlust aufweist. Dies bedeutet, dass wir ein ferromagnetisches Material mit einer engen Hystereseschleife auf seiner B-H-Kurve wünschen. Die Höhe der Hystereseverluste nimmt zu. Wenn ein Motor über einen langen Zeitraum läuft, kann auch ein kleiner Prozentsatz an Hystereseverlust pro Zyklus eine Menge vergeudete Energie und zusätzliche Wärme bedeuten. Deshalb ist die Erforschung der Hysterese und der B-H-Kurve so wichtig für die Motoreffizienz. Wir möchten, dass die Hystereseschleife so klein wie möglich ist.

Sind alle magnetischen Produkte gleichwertig? Was ist mit weichmagnetischen Materialien?

Nein, nicht alle magnetischen Materialien stimmen überein! Das war ein großer Aha-Moment für mich. Sie haben unterschiedliche magnetische Eigenschaften, was bedeutet, dass ihre B-H-Kurven unterschiedlich sind. Im Allgemeinen spricht man von 2 Haupttypen: hart- und weichmagnetische Werkstoffe. Hartmagnetische Werkstoffe, wie sie für Dauermagnete verwendet werden, haben eine große magnetische Hystereseschleife. Sie sind schwer zu magnetisieren, aber wenn sie einmal magnetisiert sind, bleiben sie ein fester Magnet. Sie haben ein hohes Rückhaltevermögen und eine hohe Koerzitivfeldstärke. Weichmagnetische Werkstoffe hingegen werden in der Regel für Motorkerne und Transformatorenkerne verwendet. Diese Produkte haben schmale Hystereseschleifen, was zu sehr geringen Hystereseverlusten führt. Beispiele hierfür sind Siliziumstahl und einige magnetische Verbundwerkstoffe. Weichmagnetische Werkstoffe sind leicht magnetisierbar und entmagnetisierbar. Dies bedeutet, dass ihre B-H-Kurve eine schmale Hystereseschleife aufweist. Das ist sehr vorteilhaft, denn es bedeutet, dass bei jedem Magnetisierungszyklus weniger Energie in Form von Wärme verloren geht. Die Wahl des magnetischen Materials, wie Siliziumstahl, wirkt sich direkt auf den Hystereseverlust aus. Für Anwendungen mit sich verändernden elektromagnetischen Feldern, wie in einem Wechselstromkreis oder einem rotierenden Motor, wählen wir weichmagnetische Materialien oder weichferromagnetische Produkte. Sie haben einen geringen Restmagnetismus und eine niedrige Koerzitivfeldstärke. Dies trägt dazu bei, den Hystereseverlust niedrig und die Leistung hoch zu halten. Die Verwendung von weichmagnetischen Produkten ist für die Verringerung der Hystereseverluste unerlässlich.

Was bedeutet Retentivität für ein magnetisches Produkt?

Erinnern Sie sich, als wir die Magnetisierungskraft (H) nach Erreichen der Sättigung wieder auf Null reduzierten, blieb das magnetische Material dennoch magnetisiert? Diese verbleibende Magnetisierung wird als Restmagnetismus oder Remanenz bezeichnet. Die Remanenz ist die Fähigkeit eines magnetischen Produkts, diesen Restmagnetismus zu behalten, nachdem das äußere elektromagnetische Feld beseitigt wurde. Auf der B-H-Kurve oder magnetischen Hystereseschleife ist die Remanenz der Punkt, an dem die Kurve nach der Sättigung durch die B-Achse verläuft (wo H gleich Null ist). Eine hohe Remanenz deutet darauf hin, dass das ferromagnetische Material auch nach dem Wegfall des äußeren Magnetfelds stark magnetisiert bleibt. Dies ist hervorragend für Dauermagnete, aber nicht so gut für Teile eines Motor- oder Transformatorkerns, die ihre Magnetisierung schnell und bequem umwandeln müssen. Eine hohe Remanenz in einem Kernmaterial würde eine größere magnetische Hystereseschleife und viel mehr Hystereseverluste verursachen. Für Anwendungen wie Elektromotoren, Magnetspulen und Transformatoren, bei denen das magnetische Produkt ständig magnetisiert und entmagnetisiert wird, benötigen wir daher in der Regel ein Material mit geringer Remanenz. Dies trägt dazu bei, die magnetische Hystereseschleife zu verkleinern und den Hystereseverlust zu verringern. Die Wohneigenschaften eines Produkts wie die Remanenz werden auf seiner B-H-Kurve dargestellt. Siliziumstahl wird in der Regel ausgewählt, weil er eine gute Permeabilität, aber eine relativ niedrige Remanenz für ein weichmagnetisches Material haben kann.

Wie kann man diesen Hystereseverlust in einem Motor tatsächlich reduzieren?

Dies ist eine wichtige Frage für jeden, der einen Motor entwickelt oder mit ihm arbeitet! Wenn man bedenkt, dass der Hystereseverlust aus der Fläche der magnetischen Hystereseschleife auf der B-H-Kurve resultiert, ist das wichtigste Mittel zu seiner Verringerung die Wahl eines magnetischen Produkts mit einer engen Hystereseschleife. Wie wir bereits erwähnt haben, sind weichmagnetische Materialien das Mittel der Wahl. Siliziumstahl ist eine sehr typische Option. Warum Siliziumstahl? Durch das Hinzufügen von Silizium zu Eisen (Herstellung von Siliziumstahl) werden die magnetischen Eigenschaften des Materials verändert. Es erhöht den elektrischen Widerstand des Materials, was dazu beiträgt, eine weitere Art von Verlust, den Wirbelstromverlust, zu verringern (eine Geschichte für einen weiteren Tag!), aber es trägt auch dazu bei, eine enge Hystereseschleife zu schaffen und damit den Hystereseverlust zu verringern. Die Koerzitivfeldstärke kann verringert werden, und bei weichmagnetischen Materialien ist auch ein geringer Restmagnetismus erwünscht. Verschiedene andere Möglichkeiten bestehen darin, das magnetische Material im Idealfall bei niedrigeren optimalen magnetischen Flussdichtegraden zu betreiben. Die Hystereseschleife hängt davon ab, wie weit man die Magnetisierung auf der B-H-Kurve nach oben drückt. Auch eine vorsichtige Herstellung des ferromagnetischen Kerns magnetisierter Teile kann hilfreich sein. Gelegentlich sind besondere Wärmebehandlungen oder die Verwendung dünner Lamellen aus Siliziumstahl kann die magnetischen Wohnungen optimieren und die Gesamtverluste, die aus den Hystereseverlusten bestehen, reduzieren. Es ist wichtig, dass die B-H-Hystereseschleife so klein wie möglich ist. Die Schleife hängt von der Art des magnetischen Materials wie Eisen oder Stahl ab.

Warum ist die Magnetisierungskurve nicht konstant linear?

Für kleine Werte der Magnetisierungskraft (H) kann die magnetische Flussdichte (B) etwas langsam ansteigen. Dann, für eine Vielzahl von H-Werten, wird die Kontur viel steiler - hier ist die Permeabilität des ferromagnetischen Materials hoch, und die magnetische Flussdichte (B) steigt ebenfalls schnell an. Dieser Teil der Kurve ist sehr zuverlässig für die Magnetisierung. Dieses nichtlineare Verhalten der B-H-Kurve ist auf die bereits erwähnten magnetischen Domänennamen zurückzuführen. Zunächst verändern sich nur die leicht bewegten Wandflächen der Domänennamen. Mit zunehmender Magnetisierungskraft richten sich noch mehr Domänennamen auf, was zu einem schnellen Anstieg der Magnetisierung führt. Die B-H-Kurve zeigt diesen komplizierten inneren Vorgang in einem ferromagnetischen Material. Wäre sie vollkommen direkt, wäre das Leben vielleicht weniger komplex, aber die ausgeprägten Strukturen ferromagnetischer Produkte wie Siliziumstahl geben uns starke Magnete und effektive Kerne, auch wenn ihre B-H-Kurve nicht gerade ist. Irgendwann, wenn die Magnetisierungskraft sehr hoch wird, sind die meisten magnetischen Domänennamen aufgereiht, und es wird immer schwieriger, die magnetische Flussdichte weiter zu erhöhen. Die Magnetisierungskurve flacht sich dann ab. Diese Biegung und Abflachung der B-H-Kurve ist charakteristisch für ferromagnetische Materialien und unterscheidet sich deutlich von der linearen Antwort von Luft oder nichtmagnetischen Produkten auf ein Magnetfeld. Die Magnetisierungskurve ist eine entscheidende Kurve.

Was passiert, wenn ein ferromagnetisches Produkt die Sättigung erreicht?

Sättigung ist ein entscheidender Gedanke, wenn Sie eine B-H-Kurve oder Magnetisierungskurve betrachten. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine wachsende Anzahl von Gegenständen in eine Reisetasche zu packen. Am Anfang ist es einfach, aber irgendwann ist die Tasche voll, und es passt nicht mehr viel hinein, auch wenn man noch so sehr drückt. Die Sättigung in einem ferromagnetischen Produkt wie Siliziumstahl ist ähnlich. Wenn Sie die Magnetisierungskraft (H) erhöhen, wird die magnetische Flussdichte (B) im Inneren des Materials angezogen und nimmt zu. Es gibt jedoch eine Einschränkung. Bei einem bestimmten Faktor haben sich fast alle magnetischen Bereiche im Inneren des ferromagnetischen Produkts mit dem elektromagnetischen Feld aufgereiht. Wenn dies der Fall ist, nimmt die magnetische Flussdichte kaum noch zu, auch wenn man die Magnetisierungskraft noch viel stärker erhöht. Man spricht dann von einer magnetischen Sättigung des Materials. Dies ist der Sättigungspunkt auf der B-H-Kurve, an dem sich die Kurve abflacht. Die Flussdichte erreicht dann ihren optimalen Nutzwert, die so genannte Sättigungsinduktion. Das Erkennen der Sättigung ist wichtig. Wenn Sie einen Motor oder Transformator konstruieren und das Kernmaterial zu schnell in die Sättigung geht, wird er nicht wie erwartet funktionieren. Die Permeabilität nimmt bei Sättigung erheblich ab. Dies bedeutet, dass die B-H-Kurve die Betriebsgrenzen eines magnetischen Materials angibt. Wenn ein ferromagnetisches Produkt in Sättigung gerät, wird seine Fähigkeit, das elektromagnetische Feld noch weiter zu verstärken, erheblich vermindert. Bei den meisten Anwendungen, bei denen eine hohe Permeabilität erwünscht ist, sollte man unterhalb dieser Sättigungsgrenze arbeiten.