Isteresi e perdite di corrente parassita

Durante l'inversione della magnetizzazione dei materiali magnetici da parte di un campo magnetico alternato, parte dell'energia del campo magnetico coinvolta nell'inversione della magnetizzazione viene persa. Una parte specifica della potenza, chiamata "perdita magnetica specifica", viene dissipata per unità di massa di un determinato materiale magnetico sotto forma di calore.

Le perdite magnetiche specifiche comprendono le perdite dinamiche e le perdite di isteresi. Le perdite dinamiche comprendono le perdite causate da correnti parassite (indotte nel materiale) e viscosità magnetica (il cosiddetto post-effetto magnetico). Le perdite dovute all'isteresi magnetica sono spiegate da movimenti irreversibili dei confini del dominio.

Ogni materiale magnetico ha una propria perdita di isteresi proporzionale alla frequenza del campo di magnetizzazione magnetizzante, così come l'area del circuito di isteresi di questo materiale.

Ciclo di isteresi:

Per trovare la potenza delle perdite associate all'isteresi in un'unità di massa (in W / kg), viene utilizzata la seguente formula:

Per ridurre le perdite di isteresi, spesso si ricorre all'uso di tali materiali magnetici, la cui forza coercitiva è piccola, cioè materiali con un sottile ciclo di isteresi. Tale materiale viene ricotto per alleviare le sollecitazioni nella struttura interna, ridurre il numero di lussazioni e altri difetti e anche allargare il grano.

Le correnti parassite causano anche perdite irreversibili. Sono dovuti al fatto che la magnetizzazione magnetizzante induce una corrente all'interno del materiale di magnetizzazione. Le perdite causate dalle correnti parassite, rispettivamente, dipendono dalla resistenza elettrica del materiale magnetizzato magnetizzato e dalla configurazione del circuito magnetico.

Pertanto, maggiore è la resistività (peggiore è la conduttività) del materiale magnetico, minori saranno le perdite causate dalle correnti parassite.

Le perdite dovute a correnti parassite sono proporzionali alla frequenza del campo magnetico magnetizzante al quadrato; pertanto, i circuiti magnetici realizzati con materiali ad alta conducibilità elettrica non sono applicabili in dispositivi che funzionano a frequenze sufficientemente elevate.

Per stimare la potenza delle perdite di corrente parassita per una massa unitaria di materiale magnetico (in W / kg), utilizzare la formula:

Poiché le perdite dovute alle correnti parassite dipendono quantitativamente dal quadrato della frequenza, per funzionare nella regione ad alta frequenza, è necessario innanzitutto tenere conto delle perdite dovute alle correnti parassite.

Per ridurre al minimo queste perdite, cercano di utilizzare nuclei magnetici con una resistenza elettrica più elevata.

Al fine di aumentare la resistenza, i nuclei sono assemblati da una pluralità di fogli di materiale ferromagnetico reciprocamente isolati con una resistività elettrica intrinseca sufficientemente elevata.

Il materiale magnetico in polvere viene pressato con un dielettrico in modo che le particelle del materiale magnetico siano separate l'una dall'altra da particelle dielettriche. Quindi procurati i magnetodielettrici.

Un'altra opzione è l'uso delle ferriti, una speciale ceramica ferrimagnetica, caratterizzata da un'elevata resistività elettrica, vicina alla resistenza dei dielettrici e dei semiconduttori. In effetti, le ferriti sono soluzioni solide di ossido di ferro con ossidi di alcuni metalli bivalenti, che possono essere descritti con la formula generalizzata:

Con una diminuzione dello spessore del foglio di materiale metallico, le perdite causate dalle correnti parassite diminuiscono di conseguenza. Ma allo stesso tempo, le perdite associate all'isteresi aumentano, perché con l'assottigliamento della foglia, diminuisce anche la dimensione del grano, il che significa che la forza coercitiva cresce.

Quasi con l'aumentare della frequenza, le perdite di corrente parassita aumentano più delle perdite di isteresi, questo può essere visto confrontando le prime due formule. E a una certa frequenza, le perdite di corrente parassita iniziano a prevalere sempre più sulle perdite di isteresi.

Ciò significa che sebbene lo spessore del foglio dipenda dalla frequenza di lavoro, tuttavia, per ciascuna frequenza, deve essere selezionato un certo spessore del foglio con il quale ridurre al minimo le perdite magnetiche nel loro insieme.

Tipicamente, i materiali magnetici tendono a ritardare il cambiamento nella propria induzione magnetica, a seconda della durata del campo magnetizzante.

Questo fenomeno provoca perdite associate a postumi magnetici (o alla cosiddetta viscosità magnetica). Ciò è dovuto all'inerzia del processo di remagnetizzazione del dominio. Minore è la durata del campo magnetico applicato, maggiore è il ritardo e, di conseguenza, la perdita magnetica causata dalla "viscosità magnetica". Questo fattore deve essere considerato quando si progettano dispositivi a impulsi con nuclei magnetici.

Le perdite di potenza dovute all'effetto collaterale magnetico non possono essere calcolate direttamente, ma possono essere trovate indirettamente, come la differenza tra le perdite magnetiche specifiche totali e la somma delle perdite dovute a correnti parassite e isteresi magnetica:

Quindi, nel processo di inversione della magnetizzazione c'è un leggero ritardo nell'induzione magnetica dall'intensità del campo di magnetizzazione magnetizzante in fase. La ragione di ciò è di nuovo le correnti parassite che, secondo la legge di Lenz, prevengono i cambiamenti nell'induzione magnetica, nei fenomeni di isteresi e nel post-effetto magnetico.

L'angolo di ritardo di fase è chiamato angolo di perdita magnetica δm. Le caratteristiche delle proprietà dinamiche dei materiali magnetici indicano un parametro come la tangente dell'angolo di perdita magnetica tanδm.

Ecco il circuito equivalente e il diagramma vettoriale per una bobina toroidale con un nucleo di materiale magnetico, dove r1 è la resistenza equivalente di tutte le perdite magnetiche:

Si vede che la tangente dell'angolo di perdita magnetica è inversamente proporzionale al fattore di qualità della bobina. L'induzione Bm che si alza in queste condizioni nel materiale magnetizzabile può essere scomposta in due componenti: il primo coincide in fase con l'intensità del campo magnetizzante e il secondo è indietro di 90 gradi.

Il primo componente è direttamente correlato a processi reversibili durante l'inversione della magnetizzazione, il secondo a processi irreversibili. Utilizzati nei circuiti CA, i materiali magnetici sono caratterizzati in relazione a questo parametro come la permeabilità magnetica complessa: