DCモータのB-H曲線とヒステリシス損失の説明

「B-H曲線」、「磁化曲線」、「ヒステリシス損失」、これらの用語は複雑に思えたが、これらの考え方を理解することは、どのようなタイプのモーターを扱う場合にも極めて重要である。 DCモーター.この短い記事は、これらの曲線が何を意味するのか、そしてなぜ重要なのか、これまで疑問に思ったことのあるあなたのためのものです。ここでは、有名なB-H曲線をチェックし、それが材料の磁気特性をどのように示しているかを正確に確認し、ヒステリシス損失がモーターの真のエネルギー浪費になり得る理由を学びます。

私が読んでいる磁化のB-Hカーブとは何ですか？

これは、磁性体を磁石にしようとしたときに、その磁性体がどのように振る舞うかを示した地図だと考えてください。この曲線の「H」は磁化力（または磁場の強さ）を表しています。これは、電流を流した電線のコイルのように、電磁場を発生させるために加える力のことです。B-H曲線上の "B "は磁束密度を表します。これは、電磁場が磁性体自身の内部で最終的にどの程度の強さになるかを正確に示しています。この磁化曲線は、磁気を認識するために不可欠です。つまり、B-H曲線はこの関係をプロットしたものなのです。磁化力（H）を上げると、材料の磁束密度（B）は磁化され、同様に上昇します。この最初の輪郭は、しばしば初期磁化曲線と呼ばれます。この輪郭の急勾配は、材料の透磁率、つまり磁束の確立のしやすさを物語っています。良好なB-H曲線は、電磁石やモーターの部品のようなポイントに適した強磁性材料を選択するのに役立ちます。B-H曲線は磁化を認識するための基本です。このB-H曲線は、多くの製品にとって単なる単純な線ではありません。磁化が起こり、その後元に戻る方法が特殊で、そこにループの概念があります。私たちは、電気モーターを開発する際に、このB-H曲線をよくチェックしています。トランスコア.B-H曲線は、ケイ素鋼のような製品の磁気特性を明らかにします。技術者にとって重要な曲線です。

なぜ私の磁気製品はB-Hカーブの直線コースに密着しないのか？

ここでヒステリシス・ロスの「ヒステリシス」の部分が登場する。ヒステリシスとは "遅れをとる "という意味です。材料の磁化が変化する際、磁化圧力が完全に密着するわけではありません。B-H曲線はこの遅れを明らかにします。プラス方向に着磁力を高めると、磁束密度は1つのカーブに沿って上昇します。しかし、着磁圧力をゼロに戻しても、磁束密度は同じ曲線に沿ってゼロには戻りません。材料は磁化され、その磁化のいくつかを保持する。この "メモリー "は、B-H曲線によって明らかにされる重要な特徴である。この遅延効果は、主にB-H曲線と材料の住宅特性を認識するためのものです。この遅れは、磁区と呼ばれる強磁性製品内部の小さな小さな場所によって起こります。小さな磁石と考えてください。外部から電磁場をかけると、これらの磁区は一列に並ぶ。しかし、電磁場をなくすと、磁区はすべて完全に戻るわけではありません。この変形に対する抵抗が、B-H曲線またはB-Hカーブという独特の形を発達させるのである。

では、ヒステリシスロスとは何か？

ヒステリシス損失とは何でしょうか？強磁性体の磁化がこの遅延サイクルを経るたびに、つまり交流回路や回転モーターのように、ある方法で磁化された後に別の方法で磁化されるたびに、いくらかのエネルギーが失われます。この失われたエネルギーは、磁気製品に温かさとして現れます。これがヒステリシス損失です。この損失は磁性体そのものに依存します。摩擦の多いものを押したり引いたりすることを想像してみてください。あなたはエネルギーを消費し、その力は確かに暖かさに発展するだろう。これは磁性体の磁化と減磁のサイクルに匹敵する。B-H曲線はループを作り、この磁気ヒステリシスループ内の面積は、1サイクルあたりの損失量を教えてくれる。B-H曲線上のループが大きければ大きいほど、ヒステリシス損失はさらに大きくなります。このヒステリシス損失は、変圧器や直流機械のような装置で考慮すべき非常に重要なものです。このヒステリシス損失は、製品内で熱として放散される電力の一種です。モーターやトランスが居心地よくなる要因のひとつです。ヒステリシス損失を最小化することは、エンジニアにとって装置をより効率的にするための大きな目標です。ヒステリシス損失は、特にモーターで珪素鋼を扱う場合、対処しなければ大きな損失となります。

磁気ヒステリシスループが何に似ているか教えてください。

この遅延結果を示すB-H曲線は、磁気ヒステリシスループ（またはB-Hヒステリシスループ）と呼ばれる。それをマッピングしてみましょう。まず、磁化されていない強磁性体から始めます。正の方向に磁化力(H)を加えると、磁束密度(B)が上昇します。これが初期の磁化曲線です。ある時点で材料は完全に磁化され、飽和点に達します。ここで、着磁力（H）をゼロに戻しても、磁束密度（B）はゼロにならないことがほとんどです！この曲線は、強磁性製品がまだいくらかの磁化を持っていることを明らかにしています。これは残留磁気または残留磁化と呼ばれます。磁束密度をゼロに戻すには、逆方向に磁化する力を加えなければなりません。必要な逆方向の力の量を保磁力と呼びます。磁気ヒステリシスループは、この磁化プロセス全体を明らかにしている。負の方向に磁化力を使い続けると、材料は再び飽和に達するが、磁極は反対である。その後、Hをゼロに戻し、もう一度プラス方向に戻すと、磁気ヒステリシスループが完成します。この曲線、磁気ヒステリシスループは、ケイ素鋼のような磁性製品の指紋である。磁気ヒステリシス・ループの面積が鍵となる。強磁性コアのカーブは、このループのタイプに準拠しています。

このヒステリシス損失はDCモータの性能にどのような影響を与えますか？

DCモーターでは、強磁性体の部品（ケイ素鋼で構成されたコアなど）は、モーターが回転するにつれて常に磁化が変化しています。磁化が循環するたびに、B-H曲線上に磁気ヒステリシス・ループが描かれる。そして私たちが発見したように、そのループの面積は熱として流される電力、つまりヒステリシス損失を表している。このヒステリシス損失は、モーターが同じ量の仕事をするために、より多くの電力を必要とすることを示しています。このヒステリシスロスによる不要な暖かさは問題になります。モータの効率が低下します。また、過度の暖気はモータの絶縁体やベアリングに経時的な損傷を与える可能性もあります。従って、良いモーター設計のためには、特に直流機では、ヒステリシス損失の小さい磁性材料を選ぶことが望まれます。つまり、B-H曲線上のヒステリシス・ループが狭い強磁性材料が望ましいのです。ヒステリシス損による損失は蓄積していきます。モーターを長時間作動させる場合、1サイクルあたりのヒステリシス損失がわずかでもあると、多くの電力が無駄になり、余分な熱が発生することになります。ヒステリシスとB-Hカーブの研究がモーター効率にとって非常に重要なのはそのためです。私たちは、ヒステリシス・ループができるだけ小さくなることを望んでいます。

磁気製品はどれも同じ？軟磁性材料はどうですか？

いや、すべての磁性体が一致するわけではない！これは私にとって大きな「アッ！」という瞬間だった。B-Hカーブの形が違うのだ。一般的には、硬質磁性材料と軟質磁性材料の2種類に大別される。永久磁石に使われるような硬い磁性材料は、広い磁気ヒステリシスループを持っています。磁化するのは難しいが、一旦磁化すると固体の磁石のままである。高い保持力と保磁力を持つ。一方、軟磁性材料は、一般的にモーターコアやトランスコアに使われるものです。これらの製品はヒステリシスループが狭く、ヒステリシス損失が非常に小さい。例としては、ケイ素鋼や一部の磁性複合材料が挙げられます。軟磁性材料は容易に磁化・脱磁します。これは、B-H曲線が狭いヒステリシスループを示すことを意味します。これは、各磁化サイクル中に熱として放出されるエネルギーが少ないことを示すため、非常に優れています。ケイ素鋼のような磁性材料のオプションは、ヒステリシス損失に直接影響します。AC回路や回転モーターのように電磁界が変化する用途では、軟磁性材料や軟強磁性製品を選びます。これらの製品は残留磁性が低く、保磁力が低い。これにより、ヒステリシスロスを抑え、性能を維持することができます。ヒステリシス損失の低減には、軟磁性製品の活用が不可欠です。

磁気製品における保持力とは何か？

飽和状態に達した後、磁化力（H）をゼロに戻したとき、磁性体が磁化されたままであったことを覚えていますか？その磁化が維持されることを残留磁気または残留磁性といいます。残留磁性とは、外部電磁界が除去された後もこの残留磁性を維持する磁性製品の能力のことです。B-H曲線または磁気ヒステリシスループにおいて、飽和後に曲線がB軸を横切る（Hがゼロになる）点が保持率です。保持率が高いということは、外部磁場がなくなった後も強磁性体が強く磁化されたままであることを示します。これは永久磁石には最適ですが、モーターや変圧器のコアなど、磁化を迅速かつ簡便に変化させる必要のある部品にはあまり適していません。コア材料の保持率が高いと、磁気ヒステリシスループが大きくなり、ヒステリシス損失が大きくなります。そのため、電気モーターやソレノイド、変圧器など、磁気製品が常に磁化・消磁されるような用途では、一般的に保持率の低い材料が望まれます。これは、磁気ヒステリシスループをより小さくし、ヒステリシス損失を低減するのに役立ちます。保持率のような製品の住宅特性は、B-H曲線で示されます。珪素鋼は、透磁率は良いが、軟磁性材料としては比較的低い保持率を持つことができるため、一般的に選択されます。

モーターのヒステリシス損を減らすには？

これは、モーターを作ったり扱ったりする人にとって大きな問題です！ヒステリシス損失がB-H曲線上の磁気ヒステリシスループの面積に由来することを考慮すると、それを下げる第一の手段はヒステリシスループの狭い磁性製品を選ぶことです。お話したように、軟磁性材料がその手段です。珪素鋼は非常に典型的な選択肢です。なぜ珪素鋼なのか？鉄にケイ素を加える（ケイ素鋼を作る）と、その磁性の建物が変わります。それは材料の電気抵抗率を上げ、渦電流損失と呼ばれるもう一つの損失を減らすのに役立ちますが（この話はまた別の機会に！）、狭いヒステリシスループを作るのにも役立ち、ヒステリシス損失が減少します。保磁力を小さくすることができ、軟磁性材料では残留磁気を低くすることも望まれる。他の様々な手段は、理想的にはより低い最適磁束密度度で磁性材料を運転することである。ヒステリシスループは、磁化をB-Hカーブのどれだけ上まで押し上げるかによって決まります。また、強磁性コアの慎重な製造は、磁化された部品を助けることができます。また、強磁性コアを磁化した部品の製造に注意することも有効です。ケイ素鋼積層は、磁気ホームを最適化し、ヒステリシス損失からなる全損失を低減することができます。B-Hヒステリシスループをできるだけ小さくすることが重要です。このループは、鉄や鋼のような磁性材料の性質によって異なります。

なぜ磁化曲線は一定しないのか？

磁化力(H)の値が小さい場合、磁束密度(B)はやや緩やかに上昇します。これは強磁性体の透磁率が高く、磁束密度（B）も急速に増加する部分です。曲線のこの部分は、磁化に対して本当に信頼できるものです。B-Hカーブのこの非線形挙動は、私たちが述べた磁区名のためです。最初は、動きやすい磁区名の壁面だけが変化します。磁化力が上昇すると、さらに多くの磁区名がまっすぐになり、磁化の急激な上昇を引き起こします。B-H曲線は、強磁性体内のこの複雑な内部手順を示している。しかし、ケイ素鋼のような強磁性体の明確な構造は、たとえB-H曲線が直線でなくても、私たちに強力な磁石と効果的なコアを与えてくれます。ある時点で、磁化力が非常に高くなると、磁性ドメイン名の大半が並び、磁束密度をさらに高めることが難しくなります。そして磁化曲線は平坦化する。このB-Hカーブの曲がりと平坦化は強磁性材料の特徴であり、空気や非磁性製品が磁場に対してどのように応答するかということとは全く異なります。磁化曲線は極めて重要な曲線である。

強磁性製品が飽和状態になると何が起こるか？

飽和は、B-H曲線や磁化曲線を見るときに重要な考え方です。あなたが旅行カバンにどんどん荷物を詰め込もうとしているところを想像してみてください。初めのうちは簡単ですが、やがてバッグがいっぱいになり、どんなに強く押してもそれ以上は入りません。珪素鋼のような強磁性製品の飽和も似たようなものだ。着磁力（H）を高めると、材料内部の磁束密度（B）が誘引されて増加する。とはいえ、限界がある。ある要因で、強磁性製品内部のほぼすべての磁区が実際に電磁界と並んだことになる。そうなると、磁化力をもっともっと大きくしても、磁束密度はほとんど上がらない。材料は磁気的に飽和していると言われています。これがB-H曲線上の飽和点であり、曲線が平坦になる。磁束密度は、飽和誘導と呼ばれる最適な有用値になります。飽和を認識することは重要です。モーターやトランスを設計する際に、コア材が早く飽和してしまうと、予想通りに動作しなくなります。飽和すると透磁率は大幅に低下します。つまり、B-H曲線は磁性材料の動作限界を教えてくれるのです。強磁性製品が飽和状態になると、電磁場をさらに高める能力がかなり低下します。高い透磁率が望まれるほとんどの用途では、この飽和レベル以下で使用したいものです。