Svelare i segreti della curva B-H: Perdita per isteresi nei motori CC

"Curva B-H", "curva di magnetizzazione" e "perdita di isteresi", questi termini sembrano complicati, ma la comprensione di queste idee è estremamente essenziale se si ha a che fare con qualsiasi tipo di motore, in particolare con uno Motore CC. Questo breve articolo è per voi se vi siete mai chiesti cosa significhino queste curve e perché siano importanti. Verificheremo la famosa curva B-H, vedremo come mostra le proprietà magnetiche di un materiale e capiremo perché la perdita per isteresi può essere un vero e proprio spreco di energia nel vostro motore.

Che cos'è la curva B-H che continuo a leggere per la magnetizzazione?

Si tratta di una mappa che mostra il comportamento di un materiale magnetico quando si cerca di renderlo un magnete. La "H" su questa curva rappresenta la forza di magnetizzazione (o intensità del campo magnetico). È lo sforzo che si esercita, come in una bobina di filo attraversata da corrente elettrica, per produrre un campo elettromagnetico. La "B" sulla curva B-H rappresenta la densità di flusso magnetico. Questa indica esattamente la forza del campo elettromagnetico all'interno del materiale magnetico stesso. Questa curva di magnetizzazione è essenziale per riconoscere la magnetica. Quindi, la curva B-H traccia questa connessione. Quando si aumenta la forza magnetizzante (H), la densità di flusso magnetico (B) nel materiale viene magnetizzata e aumenta allo stesso modo. Questo primo contorno è spesso chiamato curva di magnetizzazione iniziale. La ripidità di questo contorno ci informa sulla permeabilità del materiale, ovvero sulla facilità con cui permette al flusso magnetico di stabilirsi. Una buona curva B-H ci aiuta a selezionare il materiale ferromagnetico giusto per punti come un elettromagnete o parti di un motore. La curva B-H è fondamentale per riconoscere la magnetizzazione. La curva B-H non è una semplice linea per molti prodotti. Il modo in cui la magnetizzazione avviene e poi si annulla è speciale, ed è qui che entra in gioco il concetto di spira. La curva B-H viene esaminata molto spesso durante lo sviluppo di motori elettrici e di nuclei di trasformatori. La curva B-H rivela le proprietà magnetiche di un prodotto come l'acciaio al silicio. È una curva importante per gli ingegneri.

Perché il mio prodotto magnetico non segue un percorso rettilineo sulla curva B-H?

È qui che entra in gioco la parte "isteresi" della perdita di isteresi. Isteresi significa "rimanere indietro". La magnetizzazione del materiale non aderisce perfettamente alla pressione di magnetizzazione quando questa cambia. La curva B-H rivela questo ritardo. Quando si aumenta la forza magnetizzante in direzione positiva, la densità del flusso magnetico sale lungo una curva. Ma quando si riduce la forza magnetizzante a zero, la densità di flusso magnetico non torna a zero lungo la stessa curva. Il materiale è magnetizzato e mantiene un po' della sua magnetizzazione. Questa "memoria" è una caratteristica cruciale rivelata dalla curva B-H. Questo effetto di ritardo serve soprattutto a riconoscere la curva B-H e le proprietà residenziali di un materiale. Questo ritardo si verifica a causa di piccoli punti all'interno del prodotto ferromagnetico chiamati domini magnetici. Considerateli come piccoli magneti. Quando si applica un campo elettromagnetico esterno, questi domini magnetici si allineano. Tuttavia, quando si elimina il campo elettromagnetico, non tornano tutti indietro completamente. Questa resistenza alla trasformazione sviluppa la forma unica della curva B-H o curva B-H.

Che cos'è la perdita per isteresi?

Poiché sappiamo che il materiale magnetico ritarda, che cos'è la perdita per isteresi? Ebbene, ogni volta che la magnetizzazione di un materiale ferromagnetico attraversa questo ciclo ritardato - essendo magnetizzata in un modo e poi in un altro, come in un circuito CA o in un motore rotante - si perde un po' di energia. Questa energia dispersa si manifesta come calore nel prodotto magnetico. Si tratta di una perdita per isteresi. Questa perdita dipende dal materiale magnetico stesso. Immaginate di premere e disegnare qualcosa che ha molto attrito. Si consuma energia, che si trasforma in calore. È paragonabile ai cicli di magnetizzazione e smagnetizzazione in un materiale magnetico. La curva B-H crea un anello e l'area all'interno di questo anello di isteresi magnetica ci dice la quantità di perdita per ciclo. Un anello più grande sulla curva B-H significa una perdita di isteresi ancora maggiore. Questa perdita di isteresi è molto importante da tenere in considerazione in dispositivi come i trasformatori e le macchine a corrente continua. Questa perdita di isteresi è una sorta di potenza che viene dissipata come calore all'interno del prodotto. È uno dei fattori che rendono i motori e i trasformatori più accoglienti. Ridurre al minimo la perdita di isteresi è un grande obiettivo degli ingegneri per rendere i dispositivi più efficienti. La perdita di isteresi può essere un grosso affare se non viene gestita, in particolare quando si tratta di acciaio al silicio in un motore.

Potete mostrarmi a cosa assomiglia un ciclo di isteresi magnetica?

La curva B-H che mostra questo risultato ritardato è chiamata anello di isteresi magnetica (o anello di isteresi B-H). Mappiamola. Partiamo da un materiale ferromagnetico non magnetizzato. Quando utilizziamo una forza magnetizzante (H) in direzione positiva, la densità di flusso magnetico (B) aumenta. Questa è la curva di magnetizzazione iniziale. A un certo punto, il materiale è magnetizzato al massimo grado; si arriva al punto di saturazione. Ora, se diminuiamo la forza magnetizzante (H) fino a zero, la densità di flusso magnetico (B) non si azzera! La curva rivela che il prodotto ferromagnetico ha ancora una certa magnetizzazione. Si tratta del cosiddetto magnetismo residuo o rimanenza. Per riportare la densità di flusso magnetico a zero, dobbiamo applicare una forza magnetizzante nella direzione opposta. La quantità di questa forza inversa necessaria è chiamata forza coercitiva. L'anello di isteresi magnetica rivela l'intero processo di magnetizzazione. Se continuiamo a utilizzare la forza magnetizzante in direzione negativa, il materiale raggiungerà certamente la saturazione ancora una volta, ma con poli magnetici opposti. Dopodiché, riportando H a zero e passando di nuovo alla direzione positiva, si completerà l'anello di isteresi magnetica. Questa curva, l'anello di isteresi magnetica, è un'impronta digitale del prodotto magnetico, come l'acciaio al silicio. L'area dell'anello di isteresi magnetica è fondamentale. La curva del nucleo ferromagnetico è conforme ai tipi di questo anello.

In che modo la perdita di isteresi influisce sulle prestazioni del motore CC?

In un motore a corrente continua, i componenti del materiale ferromagnetico (come il nucleo costruito in acciaio al silicio) subiscono una costante variazione della magnetizzazione durante la rotazione del motore. Ogni volta che la magnetizzazione si modifica, viene tracciato un ciclo di isteresi magnetica sulla curva B-H. Come abbiamo scoperto, l'area di questo anello rappresenta la potenza dispersa come calore, ovvero la perdita di isteresi. Questa perdita di isteresi indica che il motore richiede più potenza per svolgere la stessa quantità di lavoro. Questo calore indesiderato dovuto alla perdita di isteresi può essere un problema. Può rendere il motore meno efficiente. Un calore eccessivo può anche danneggiare l'isolamento o i cuscinetti del motore nel tempo. Per questo motivo, per un buon progetto di motore, soprattutto nelle macchine a corrente continua, è necessario scegliere un materiale magnetico che abbia una piccola perdita di isteresi. Ciò implica che vogliamo un materiale ferromagnetico con un anello di isteresi stretto sulla sua curva B-H. La quantità di perdita dovuta all'isteresi si accumula. Se un motore funziona per un lungo periodo di tempo, anche una piccola percentuale di perdita di isteresi per ciclo può significare molta energia sprecata e calore extra. Ecco perché la ricerca sull'isteresi e sulla curva B-H è così importante per l'efficienza del motore. Vogliamo che il ciclo di isteresi sia il più piccolo possibile.

I prodotti magnetici sono tutti uguali? E i materiali magnetici morbidi?

No, non tutti i materiali magnetici coincidono! Questo è stato un grande momento "aha!" per me. Hanno proprietà magnetiche diverse, il che indica che le forme delle loro curve B-H sono diverse. Si parla comunemente di due tipi principali: materiali magnetici duri e morbidi. I materiali magnetici duri, come quelli utilizzati per i magneti permanenti, hanno un ampio ciclo di isteresi magnetica. Sono difficili da magnetizzare ma, una volta magnetizzati, rimangono un magnete solido. Hanno un'elevata ritentività e un'alta forza coercitiva. I materiali magnetici morbidi, invece, sono quelli che generalmente vengono utilizzati per i nuclei dei motori e dei trasformatori. Questi prodotti hanno anelli di isteresi stretti che comportano una perdita di isteresi molto ridotta. Ne sono un esempio l'acciaio al silicio e alcuni materiali magnetici compositi. I materiali magnetici morbidi sono facilmente magnetizzabili e smagnetizzabili. Ciò implica che la loro curva B-H mostrerà un anello di isteresi stretto. Questo è un aspetto positivo perché indica che durante ogni ciclo di magnetizzazione viene dispersa meno energia sotto forma di calore. La scelta del materiale magnetico, come l'acciaio al silicio, influisce direttamente sulla perdita di isteresi. Per le applicazioni con campi elettromagnetici in trasformazione, come in un circuito CA o in un motore rotante, scegliamo materiali magnetici morbidi o prodotti ferromagnetici morbidi. Hanno un basso magnetismo residuo e una bassa forza coercitiva. Ciò contribuisce a mantenere bassa la perdita di isteresi e ad aumentare le prestazioni. L'uso di prodotti magnetici morbidi è essenziale per ridurre la perdita di isteresi.

Cosa significa retentività per un prodotto magnetico?

Ricordate quando abbiamo abbassato la forza magnetizzante (H) a zero dopo aver raggiunto la saturazione, eppure il materiale magnetico è rimasto magnetizzato? Questa magnetizzazione residua è chiamata magnetismo residuo o rimanenza. La ritentività è la capacità di un prodotto magnetico di mantenere questo magnetismo residuo dopo l'eliminazione del campo elettromagnetico esterno. Sulla curva B-H o sull'anello di isteresi magnetica, la ritentività è il punto in cui la curva attraversa l'asse B (dove H è zero) dopo la saturazione. Un'alta retentività indica che il materiale ferromagnetico rimane altamente magnetizzato dopo la scomparsa del campo magnetico esterno. Ciò è eccellente per i magneti permanenti, ma non altrettanto per le parti del nucleo di un motore o di un trasformatore che devono trasformare la loro magnetizzazione in modo rapido e conveniente. Un'elevata ritentività in un materiale del nucleo causerebbe un ciclo di isteresi magnetica più grande e una perdita di isteresi molto maggiore. Pertanto, per applicazioni come i motori elettrici, i solenoidi e i trasformatori, in cui il prodotto magnetico viene costantemente magnetizzato e smagnetizzato, si preferisce un materiale con bassa ritentività. Ciò contribuisce a ridurre l'anello di isteresi magnetica, diminuendo la perdita di isteresi. Le proprietà residenziali di un prodotto, come la ritentività, sono indicate sulla sua curva B-H. L'acciaio al silicio viene comunemente scelto perché può avere una buona permeabilità, ma una retentività relativamente bassa per un materiale magnetico morbido.

Come si può effettivamente ridurre questa perdita di isteresi in un motore?

Questa è una domanda importante per chiunque crei o abbia a che fare con un motore! Considerando che la perdita di isteresi deriva dall'area dell'anello di isteresi magnetica sulla curva B-H, il mezzo principale per ridurla è scegliere un prodotto magnetico con un anello di isteresi stretto. Come abbiamo detto, i materiali magnetici morbidi sono i più adatti. L'acciaio al silicio è un'opzione molto tipica. Perché l'acciaio al silicio? L'aggiunta di silicio al ferro (per ottenere l'acciaio al silicio) cambia i suoi edifici magnetici. Aumenta la resistività elettrica del materiale, il che contribuisce a ridurre un'altra sorta di perdita, chiamata perdita per correnti parassite (una storia per un altro giorno!), ma contribuisce anche a creare un anello di isteresi stretto, diminuendo così la perdita per isteresi. La forza coercitiva può essere ridotta e, per i materiali magnetici morbidi, si desidera anche un basso magnetismo residuo. Vari altri mezzi consistono nel far funzionare il materiale magnetico a gradi di densità di flusso magnetico ottimali più bassi, idealmente. L'anello di isteresi dipende da quanto si spinge in alto la curva B-H della magnetizzazione. Inoltre, può essere d'aiuto una produzione accurata del nucleo ferromagnetico nelle parti magnetizzate. Occasionalmente, trattamenti termici particolari o l'uso di materiali sottili possono aiutare. laminazioni di acciaio al silicio può ottimizzare le case magnetiche e ridurre le perdite totali, che consistono nella perdita di isteresi. È fondamentale che l'anello di isteresi B-H sia il più piccolo possibile. L'anello dipende dalla natura del materiale magnetico, come il ferro o l'acciaio.

Perché la curva di magnetizzazione non è costantemente lineare?

Per piccoli valori della forza magnetizzante (H), la densità di flusso magnetico (B) può aumentare un po' lentamente. Poi, per una varietà di valori di H, il contorno diventa molto più ripido: è qui che la permeabilità del materiale ferromagnetico è elevata e anche la densità di flusso magnetico (B) aumenta rapidamente. Questa parte della curva è davvero affidabile per la magnetizzazione. Questo comportamento non lineare della curva B-H è dovuto ai nomi di dominio magnetici di cui abbiamo parlato. Inizialmente, cambiano solo le superfici delle pareti dei domini facilmente spostabili. Quando la forza magnetizzante aumenta, un numero ancora maggiore di nomi di dominio si raddrizza, causando un rapido aumento della magnetizzazione. La curva B-H mostra questa intricata procedura interna al materiale ferromagnetico. Se fosse perfettamente diretta, la vita potrebbe essere meno complessa, ma le distinte costruzioni di prodotti ferromagnetici come l'acciaio al silicio ci danno magneti forti e nuclei efficaci, anche se la loro curva B-H non è rettilinea. A un certo punto, quando la forza di magnetizzazione diventa molto elevata, la maggior parte dei domini magnetici sono allineati e diventa sempre più difficile aumentare ulteriormente la densità del flusso magnetico. La curva di magnetizzazione si appiattisce. Questa curvatura e questo appiattimento della curva B-H sono caratteristici dei materiali ferromagnetici e sono diversi dalla risposta dell'aria o dei prodotti non magnetici a un campo magnetico, che è lineare. La curva di magnetizzazione è una curva cruciale.

Cosa succede quando un prodotto ferromagnetico raggiunge la saturazione?

La saturazione è un'idea fondamentale quando si osserva una curva B-H o una curva di magnetizzazione. Immaginate di cercare di mettere un numero crescente di oggetti in una borsa da viaggio. All'inizio è facile, ma alla fine la borsa diventa piena e non è più possibile inserirla, nonostante la pressione esercitata. La saturazione in un prodotto ferromagnetico come l'acciaio al silicio è simile. Aumentando la forza magnetizzante (H), la densità di flusso magnetico (B) all'interno del materiale viene attratta e aumenta. Tuttavia, c'è una limitazione. A un certo punto, quasi tutti i domini magnetici all'interno del prodotto ferromagnetico si sono allineati con il campo elettromagnetico. Una volta che ciò si verifica, anche se si aumenta di molto la forza di magnetizzazione, la densità del flusso magnetico difficilmente aumenta. Si dice che il materiale è magneticamente saturo. Questo è il punto di saturazione della curva B-H, dove la curva si appiattisce. La densità di flusso raggiunge il suo valore utile ottimale, chiamato induzione di saturazione. Riconoscere la saturazione è importante. Se si progetta un motore o un trasformatore e il materiale del nucleo raggiunge la saturazione troppo rapidamente, non funzionerà come previsto. La permeabilità diminuisce in modo sostanziale alla saturazione. Questo significa che la curva B-H ci indica i limiti operativi di un materiale magnetico. Quando un prodotto ferromagnetico raggiunge la saturazione, la sua capacità di aumentare il campo elettromagnetico si riduce notevolmente. Per la maggior parte delle applicazioni in cui si desidera un'elevata permeabilità, è preferibile operare al di sotto di questo livello di saturazione.