Histéresis y pérdidas por corrientes parásitas

Durante la inversión de magnetización de materiales magnéticos por un campo magnético alterno, se pierde parte de la energía del campo magnético involucrado en la inversión de magnetización. Una parte específica de la potencia, que se denomina "pérdida magnética específica", se disipa por unidad de masa de un determinado material magnético en forma de calor.

Las pérdidas magnéticas específicas incluyen pérdidas dinámicas, así como pérdidas por histéresis. Las pérdidas dinámicas incluyen pérdidas causadas por corrientes de Foucault (inducidas en el material) y la viscosidad magnética (el llamado efecto secundario magnético). Las pérdidas debidas a histéresis magnética se explican por movimientos irreversibles de los límites del dominio.

Cada material magnético tiene su propia pérdida de histéresis proporcional a la frecuencia del campo de magnetización de magnetización, así como el área del circuito de histéresis de este material.

Bucle de histéresis:

Para encontrar el poder de las pérdidas asociadas con la histéresis en una unidad de masa (en W / kg), se utiliza la siguiente fórmula:

Para reducir las pérdidas por histéresis, la mayoría de las veces recurre al uso de tales materiales magnéticos, cuya fuerza coercitiva es pequeña, es decir, materiales con un circuito de histéresis delgado. Dicho material es recocido para aliviar tensiones en la estructura interna, reducir el número de dislocaciones y otros defectos, y también agrandar el grano.

Las corrientes de Foucault también causan pérdidas irreversibles. Se deben al hecho de que la magnetización por magnetización induce una corriente dentro del material de magnetización. Las pérdidas causadas por las corrientes parásitas, respectivamente, dependen de la resistencia eléctrica del material de magnetización magnetizado y de la configuración del circuito magnético.

Por lo tanto, cuanto mayor sea la resistividad (peor la conductividad) del material magnético, menores serán las pérdidas causadas por las corrientes de Foucault.

Las pérdidas debidas a las corrientes parásitas son proporcionales a la frecuencia del campo de magnetización al cuadrado, por lo tanto, los circuitos magnéticos hechos de materiales con alta conductividad eléctrica no son aplicables en dispositivos que funcionan a frecuencias suficientemente altas.

Para estimar la potencia de las pérdidas por corrientes parásitas para una unidad de masa de material magnético (en W / kg), use la fórmula:

 

Dado que las pérdidas debidas a las corrientes parásitas dependen cuantitativamente del cuadrado de la frecuencia, para trabajar en la región de alta frecuencia, es necesario en primer lugar tener en cuenta las pérdidas debidas a las corrientes parásitas.

Para minimizar estas pérdidas, intentan usar núcleos magnéticos con una mayor resistencia eléctrica.

Para aumentar la resistencia, los núcleos se ensamblan a partir de una pluralidad de láminas de material ferromagnético mutuamente aisladas con una resistividad eléctrica intrínseca suficientemente alta.

El material magnético en polvo se presiona con un dieléctrico para que las partículas del material magnético estén separadas entre sí por partículas dieléctricas. Así que consigue magnetodielectrics.

Otra opción es el uso de ferritas, una cerámica ferrimagnética especial, caracterizada por una alta resistividad eléctrica, cercana a la resistencia de dieléctricos y semiconductores. De hecho, las ferritas son soluciones sólidas de óxido de hierro con óxidos de algunos metales divalentes, que se pueden describir mediante la fórmula generalizada:

 

Con una disminución en el grosor de la lámina de material metálico, las pérdidas causadas por las corrientes parásitas disminuyen en consecuencia. Pero al mismo tiempo, las pérdidas asociadas con la histéresis aumentan, porque con el adelgazamiento de la hoja, el tamaño del grano también disminuye, lo que significa que crece la fuerza coercitiva.

Casi con el aumento de la frecuencia, las pérdidas por corrientes parásitas aumentan más que las pérdidas por histéresis, esto se puede ver al comparar las dos primeras fórmulas. Y a cierta frecuencia, las pérdidas por corrientes parásitas comienzan a prevalecer cada vez más sobre las pérdidas por histéresis.

Esto significa que aunque el grosor de la lámina depende de la frecuencia de trabajo, sin embargo, para cada frecuencia, se debe seleccionar un cierto grosor de la lámina con el cual se minimizarán las pérdidas magnéticas en su conjunto.

Típicamente, los materiales magnéticos tienden a retrasar el cambio en su propia inducción magnética, dependiendo de la duración del campo de magnetización.

Este fenómeno causa pérdidas asociadas con efectos secundarios magnéticos (o la llamada viscosidad magnética). Esto se debe a la inercia del proceso de remagnetización del dominio. Cuanto más corta es la duración del campo magnético aplicado, mayor es la demora y, por lo tanto, la pérdida magnética causada por la "viscosidad magnética", más. Este factor debe tenerse en cuenta al diseñar dispositivos pulsados ​​con núcleos magnéticos.

Las pérdidas de potencia del efecto secundario magnético no se pueden calcular directamente, pero se pueden encontrar indirectamente, como la diferencia entre las pérdidas magnéticas específicas totales y la suma de las pérdidas debidas a las corrientes parásitas y la histéresis magnética:

Por lo tanto, en el proceso de reversión de magnetización hay un ligero retraso en la inducción magnética de la intensidad del campo de magnetización en fase. La razón de esto es nuevamente las corrientes parásitas, que, de acuerdo con la ley de Lenz, evitan los cambios en la inducción magnética, los fenómenos de histéresis y las repercusiones magnéticas.

El ángulo de retraso de fase se llama ángulo de pérdida magnética δm. Las características de las propiedades dinámicas de los materiales magnéticos indican un parámetro como la tangente del ángulo de pérdida magnética tanδm.

Aquí está el circuito equivalente y el diagrama vectorial para una bobina toroidal con un núcleo de material magnético, donde r1 es la resistencia equivalente de todas las pérdidas magnéticas:

Se ve que la tangente del ángulo de pérdida magnética es inversamente proporcional al factor de calidad de la bobina. La inducción Bm que surge en estas condiciones en el material magnetizable se puede descomponer en dos componentes: el primero coincide en fase con la intensidad del campo de magnetización, y el segundo va 90 grados detrás de él.

El primer componente está directamente relacionado con los procesos reversibles durante la reversión de magnetización, el segundo con los irreversibles. Utilizados en circuitos de CA, los materiales magnéticos se caracterizan en relación con este parámetro, como la permeabilidad magnética compleja: