De geheimen van de B-H-curve ontsluieren: Hysteresisverlies in gelijkstroommotoren

"B-H-curve", "magnetisatiecurve" en "hysteresisverlies", deze termen leken ingewikkeld, maar het begrijpen van deze ideeën is uiterst essentieel als je te maken hebt met elk type motor, vooral een Gelijkstroommotor. Dit korte artikel is voor jou als je je ooit hebt afgevraagd wat deze krommen betekenen en waarom ze belangrijk zijn. We bekijken de beroemde B-H-curve, zien precies hoe deze de magnetische eigenschappen van een materiaal laat zien en leren waarom hysteresisverlies een echte energieverspiller kan zijn in je motor.

Wat is die B-H kromme waar ik steeds over lees voor magnetisatie?

Zie het als een kaart die laat zien hoe een magnetisch materiaal zich gedraagt als je er een magneet van probeert te maken. De "H" op deze curve staat voor magnetiserende kracht (of magnetische veldsterkte). Dit is de kracht die je inbrengt, bijvoorbeeld van een draadspoel waar elektrische stroom doorheen loopt, om een elektromagnetisch veld te produceren. De "B" op de B-H curve staat voor de magnetische fluxdichtheid. Dit vertelt je precies hoe sterk het elektromagnetische veld uiteindelijk is in het magnetische materiaal zelf. Deze magnetisatiecurve is essentieel voor het herkennen van magnetisme. De B-H-curve brengt deze verbinding dus in kaart. Als je de magnetisatiekracht (H) verhoogt, wordt de magnetische fluxdichtheid (B) in het materiaal gemagnetiseerd en neemt deze ook toe. Deze eerste contour wordt vaak de initiële magnetisatiecurve genoemd. De steilheid van deze contour vertelt ons iets over de permeabiliteit van het materiaal - hoe gemakkelijk het magnetische flux tot stand laat komen. Een goede B-H-curve helpt ons bij het selecteren van het juiste ferromagnetische materiaal voor bijvoorbeeld een elektromagneet of onderdelen van een motor. De B-H-curve is fundamenteel voor het herkennen van magnetisatie. Deze B-H-curve is niet zomaar een simpele lijn voor veel producten. De manier waarop de magnetisatie plaatsvindt en zich daarna ongedaan maakt is bijzonder, en dat is waar het concept van een lus om de hoek komt kijken. We bekijken deze B-H-curve heel vaak bij de ontwikkeling van elektromotoren en transformatorkernen. De B-H curve toont de magnetische eigenschappen van het product, zoals siliciumstaal. Het is een belangrijke curve voor ingenieurs.

Waarom volgt mijn magnetische product geen rechte lijn op de B-H-curve?

Hier komt het "hysteresis" gedeelte van hysteresisverlies om de hoek kijken. Hysterese suggereert "achterblijven". De magnetisatie van het materiaal houdt zich niet perfect aan de magnetiserende druk wanneer deze verandert. De B-H-curve laat deze achterstand zien. Wanneer je de magnetisatiekracht in positieve richting verhoogt, gaat de magnetische fluxdichtheid langs één curve omhoog. Maar wanneer je de magnetisatiekracht terugbrengt naar nul, keert de magnetische fluxdichtheid niet terug naar nul langs dezelfde kromme. Het materiaal is gemagnetiseerd en behoudt een paar van zijn magnetisatie. Dit "geheugen" is een cruciaal kenmerk dat wordt onthuld door de B-H-curve. Dit vertragingseffect is voornamelijk bedoeld om de B-H-curve en de residentiële eigenschappen van een materiaal te herkennen. Deze vertraging ontstaat door piepkleine locaties in het ferromagnetische product die magnetische domeinen worden genoemd. Zie ze als kleine magneten. Wanneer je een extern elektromagnetisch veld aanbrengt, komen deze magnetische domeinen op één lijn te liggen. Maar als je het elektromagnetische veld uitschakelt, draaien ze niet allemaal volledig terug. Deze weerstand tegen transformatie ontwikkelt de unieke vorm van de B-H-curve of B-H-curve.

Wat is nu eigenlijk hysteresisverlies?

Aangezien we weten dat het magnetische materiaal vertragingen vertoont, wat is dan hysteresisverlies? Telkens wanneer de magnetisatie van een ferromagnetisch materiaal deze vertraagde cyclus doorloopt - gemagnetiseerd worden op de ene methode en dan op de andere, zoals in een wisselstroomcircuit of een draaiende motor - gaat er wat energie verloren. Deze verloren energie verschijnt als warmte in het magnetische product. Dit is hysteresisverlies. Dit verlies is afhankelijk van het magnetische materiaal zelf. Stel je voor dat je iets perst en trekt dat veel wrijving heeft. Je zou energie verbruiken en die energie zou zich zeker ontwikkelen tot warmte. Het is vergelijkbaar met magnetisatie- en demagnetisatiecycli in een magnetisch materiaal. De B-H-curve creëert een lus en het gebied binnen deze magnetische hysteresislus vertelt ons de hoeveelheid verlies per cyclus. Een grotere lus op de B-H-curve betekent nog meer hysteresisverlies. Dit hysteresisverlies is erg belangrijk om rekening mee te houden in apparaten zoals transformatoren en gelijkstroommachines. Dit hysteresisverlies is een soort vermogen dat als warmte wordt afgevoerd binnen het product. Het is een van de factoren die motoren en transformatoren gezellig maken. Het minimaliseren van hysteresisverlies is een groot doel voor ingenieurs om apparaten efficiënter te maken. Het hysteresisverlies kan een groot koopje zijn als het niet wordt aangepakt, vooral als het gaat om siliciumstaal in een motor.

Kun je me laten zien waar een magnetische hysteresislus op lijkt?

De B-H curve die dit vertraagde resultaat laat zien, wordt een magnetische hysteresislus (of B-H hysteresislus) genoemd. Laten we hem in kaart brengen. We beginnen met een ferromagnetisch materiaal dat niet gemagnetiseerd is. Als we een magnetiserende kracht (H) in een positieve richting gebruiken, neemt de magnetische fluxdichtheid (B) toe. Dit is de initiële magnetisatiecurve. Op een bepaald moment is het materiaal volledig gemagnetiseerd; het verzadigingspunt wordt bereikt. Als we nu de magnetiserende kracht (H) terugbrengen naar nul, zal de magnetische fluxdichtheid (B) waarschijnlijk niet naar nul gaan! De kromme laat zien dat het ferromagnetische product nog enige magnetisatie heeft. Dit wordt restmagnetisme of remanentie genoemd. Om de magnetische fluxdichtheid weer op nul te krijgen, moeten we een magnetiserende kracht in omgekeerde richting uitoefenen. De hoeveelheid van deze omgekeerde kracht die nodig is, wordt de dwangkracht genoemd. De magnetische hysteresislus onthult dit hele magnetisatieproces. Als we de magnetiserende kracht in negatieve richting blijven gebruiken, zal het materiaal zeker opnieuw verzadiging bereiken, maar dan met tegengestelde magnetische polen. Daarna zal het terugbrengen van H naar nul en opnieuw in de positieve richting de magnetische hysteresislus voltooien. Deze curve, de magnetische hysteresislus, is een vingerafdruk van het magnetische product, zoals siliciumstaal. Het gebied van de magnetische hysteresislus is de sleutel. De curve van de ferromagnetische kern voldoet aan de types van deze lus.

Hoe beïnvloedt dit hysteresisverlies de prestaties van mijn gelijkstroommotor?

In een gelijkstroommotor veranderen de componenten van het ferromagnetische materiaal (zoals de kern van siliciumstaal) voortdurend van magnetisatie terwijl de motor draait. Elke keer dat de magnetisatie verandert, wordt die magnetische hysteresislus op de B-H-curve gevolgd. En zoals we hebben ontdekt, staat het oppervlak van die lus voor het vermogen dat als warmte wordt afgegeven - het hysteresisverlies. Dit hysteresisverlies geeft aan dat je motor meer vermogen nodig heeft om dezelfde hoeveelheid werk te doen. Deze ongewenste warmte van hysteresisverlies kan een probleem zijn. Het kan de motor minder effectief maken. Overmatige warmte kan na verloop van tijd ook de isolatie of lagers van de motor beschadigen. Voor een goed motorontwerp, vooral bij gelijkstroommachines, willen we dus een magnetisch materiaal kiezen met een klein hysteresisverlies. Dit betekent dat we een ferromagnetisch materiaal willen met een smalle hysteresislus op de B-H-curve. De hoeveelheid verlies door hysteresisverlies bouwt zich op. Als je een motor langere tijd laat draaien, kan ook een klein percentage hysteresisverlies per cyclus veel weggegooid vermogen en extra warmte betekenen. Daarom is onderzoek naar hysteresis en de B-H curve zo belangrijk voor motorefficiëntie. We willen dat de hysteresislus zo klein mogelijk is.

Zijn alle magnetische producten hetzelfde? Hoe zit het met zachte magnetische materialen?

Nee, niet alle magnetische materialen vallen samen! Dit was een grote "aha!" minuut voor mij. Ze hebben verschillende magnetische eigenschappen, wat betekent dat hun B-H-curvevormen verschillend zijn. We spreken gewoonlijk over 2 hoofdtypen: harde en zachte magnetische materialen. Harde magnetische materialen, zoals die voor permanente magneten, hebben een brede magnetische hysteresislus. Ze zijn moeilijk te magnetiseren, maar als ze dat eenmaal zijn, blijven ze een vaste magneet. Ze hebben een hoge retentiviteit en een hoge dwangkracht. Zachte magnetische materialen daarentegen zijn wat we over het algemeen willen voor motorkernen en transformatorkernen. Deze producten hebben smalle hysteresislussen die resulteren in zeer kleine hoeveelheden hysteresisverlies. Voorbeelden hiervan zijn siliciumstaal en sommige magnetische composieten. Zachte magnetische materialen worden gemakkelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd. Dit betekent dat hun B-H-curve een smalle hysteresislus vertoont. Dit is geweldig omdat het aangeeft dat er minder energie als warmte verloren gaat tijdens elke magnetisatiecyclus. De keuze van het magnetische materiaal, zoals siliciumstaal, heeft een directe invloed op het hystereseverlies. Voor toepassingen met transformerende elektromagnetische velden, zoals in een wisselstroomcircuit of een roterende motor, kiezen we zachte magnetische materialen of zachte ferromagnetische producten. Deze hebben een laag restmagnetisme en een lage dwangkracht. Dit helpt om het hysteresisverlies laag en de prestaties hoog te houden. Het gebruik van zachte magnetische producten is essentieel voor het verminderen van hysteresisverlies.

Wat betekent retentiviteit voor een magnetisch product?

Weet je nog dat toen we de magnetiserende kracht (H) terugbrachten naar nul na het bereiken van verzadiging, het magnetische materiaal toch gemagnetiseerd bleef? Die blijvende magnetisatie wordt restmagnetisme of remanentie genoemd. Retentiviteit is het vermogen van een magnetisch product om dit restmagnetisme te behouden nadat het elektromagnetische veld aan de buitenkant is uitgeschakeld. Op de B-H-curve of magnetische hysteresislus is retentiviteit het punt waar de curve over de B-as gaat (waar H nul is) na verzadiging. Een hoge retentiviteit geeft aan dat het ferromagnetische materiaal sterk gemagnetiseerd blijft nadat het externe magneetveld is verdwenen. Dit is uitstekend voor permanente magneten, maar niet zo goed voor onderdelen van een motor- of transformatorkern die hun magnetisatie snel en gemakkelijk moeten omzetten. Een hoge retentiviteit in een kernmateriaal zou een grotere magnetische hysteresislus en veel meer hysteresisverlies veroorzaken. Dus voor toepassingen zoals elektromotoren of solenoïden en transformatoren, waarbij het magnetische product constant gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd wordt, willen we meestal een materiaal met een lage retentiviteit. Dit helpt de magnetische hysteresislus kleiner te maken, waardoor het hysteresisverlies lager is. De residentiële eigenschappen van een product, zoals retentiviteit, worden weergegeven op de B-H-curve. Siliciumstaal wordt vaak gekozen omdat het een goede permeabiliteit heeft, maar een relatief lage retentiviteit voor een zacht magnetisch materiaal.

Hoe kunnen we dit hysteresisverlies in een motor beperken?

Dit is een enorme vraag voor iedereen die een motor maakt of ermee te maken heeft! Aangezien hysteresisverlies wordt veroorzaakt door het oppervlak van de magnetische hysteresislus op de B-H-curve, is de belangrijkste manier om dit te verlagen het kiezen van een magnetisch product met een smalle hysteresislus. Zoals we al hebben besproken, zijn zachte magnetische materialen de beste keuze. Siliciumstaal is een zeer typische optie. Waarom siliciumstaal? Door silicium aan ijzer toe te voegen (waardoor siliciumstaal ontstaat) veranderen de magnetische gebouwen. Het verhoogt de elektrische weerstand van het materiaal, wat helpt bij het verminderen van nog een soort verlies dat wervelstroomverlies heet (een verhaal voor een extra dag!), maar het helpt ook bij het creëren van een smalle hysteresislus, waardoor het hysteresisverlies afneemt. De dwangkracht kan kleiner worden gemaakt en voor zachte magnetische materialen is een laag restmagnetisme ook gewenst. Diverse andere middelen bestaan uit het laten draaien van het magneetmateriaal bij lagere optimale magnetische fluxdichtheidsgraden, in het ideale geval. De hysteresislus hangt af van hoe ver je de magnetisatie op de B-H-curve drukt. Ook een voorzichtige fabricage van de ferromagnetische kern van gemagnetiseerde onderdelen kan helpen. Soms kunnen unieke warmtebehandelingen of het gebruik van dunne laminaten van siliciumstaal kunnen de magnetische huizen optimaliseren en de totale verliezen, bestaande uit hysteresisverlies, verminderen. Het is van vitaal belang dat de B-H hysteresislus zo klein mogelijk is. De lus is afhankelijk van de aard van het magnetische materiaal zoals ijzer of staal.

Waarom is de magnetisatiecurve niet constant lineair?

Voor kleine waarden van magnetiserende kracht (H) kan de magnetische fluxdichtheid (B) wat langzaam toenemen. Vervolgens wordt de contour voor verschillende H-waarden veel steiler - hier is de doorlaatbaarheid van het ferromagnetische materiaal hoog en neemt de magnetische fluxdichtheid (B) ook snel toe. Dit deel van de curve is echt betrouwbaar voor magnetisatie. Dit niet-lineaire gedrag van de B-H-curve komt door de magnetische domeinnamen die we noemden. Aanvankelijk veranderen alleen de gemakkelijk beweegbare domeinnaamwandoppervlakken. Als de magnetisatiekracht toeneemt, worden nog meer domeinnamen recht, waardoor de magnetisatie snel toeneemt. De B-H-curve toont deze ingewikkelde interne procedure in het ferromagnetische materiaal. Als het perfect recht zou zijn, zou het leven minder complex zijn, maar de verschillende bouwwerken van ferromagnetische producten zoals siliciumstaal geven ons sterke magneten en effectieve kernen, zelfs als hun B-H-curve niet recht is. Op een gegeven moment, als de magnetisatiekracht erg hoog wordt, zijn de meeste magnetische domeinnamen op één lijn en wordt het steeds moeilijker om de magnetische fluxdichtheid verder te verhogen. De magnetisatiecurve vlakt dan af. Deze buiging en afvlakking van de B-H-curve is kenmerkend voor ferromagnetische materialen en verschilt echt van hoe lucht of niet-magnetische producten reageren op een magnetisch veld, dat lineair is. De magnetisatiecurve is een cruciale curve.

Wat gebeurt er als een ferromagnetisch product verzadigd raakt?

Verzadiging is een cruciaal idee wanneer je naar een B-H curve of magnetisatiecurve kijkt. Stel je voor dat je steeds meer spullen in een reistas probeert te stoppen. In het begin is het gemakkelijk, maar uiteindelijk raakt de tas vol en kun je er niet veel meer in kwijt, hoe hard je ook drukt. Verzadiging in een ferromagnetisch product zoals siliciumstaal is vergelijkbaar. Als je de magnetiserende kracht (H) verhoogt, wordt de magnetische fluxdichtheid (B) in het materiaal aangetrokken en neemt toe. Er is echter een beperking. Op een gegeven moment zijn bijna alle magnetische domeinen in het ferromagnetische product op één lijn met het elektromagnetische veld. Zodra dit gebeurt, en ook als je de magnetiserende kracht nog veel meer verhoogt, neemt de magnetische fluxdichtheid nauwelijks nog toe. Het materiaal wordt magnetisch verzadigd genoemd. Dit is het verzadigingspunt op de B-H-curve, waar de curve afvlakt. De fluxdichtheid bereikt zijn optimale nuttige waarde, die de verzadigingsinductie wordt genoemd. Verzadiging herkennen is belangrijk. Als je een motor of transformator ontwerpt en het kernmateriaal raakt te snel verzadigd, dan zal deze niet werken zoals verwacht. De permeabiliteit daalt aanzienlijk bij verzadiging. Dit betekent dat de B-H-curve ons vertelt wat de werkingslimieten van een magnetisch materiaal zijn. Wanneer een ferromagnetisch product verzadigd raakt, wordt zijn vermogen om het elektromagnetische veld nog meer te versterken aanzienlijk minder. Voor de meeste toepassingen waarbij een hoge permeabiliteit gewenst is, wil je onder dit verzadigingsniveau werken.