Hysteresisverliezen

Hysteresisverliezen zijn energieverliezen die optreden in ferromagnetische materialen zoals ijzer wanneer deze worden blootgesteld aan een periodiek veranderend magnetisch veld. Ze behoren tot de zogenaamde ijzerverliezen en treden met name op in componenten die met elektrische energie worden aangedreven. De verliezen worden veroorzaakt doordat de magnetisatie van een materiaal het externe magnetische veld niet direct en zonder verlies volgt. Dit effect staat bekend als hysterese. De energie die hierbij verloren gaat, wordt omgezet in warmte.

Fysieke achtergrond

De oorsprong van hysteresisverliezen ligt in de fysica van ferromagnetische materialen. Deze bestaan uit magnetische domeinen, d.w.z. de kleinste gebieden waarin de magnetische momenten in dezelfde richting zijn uitgelijnd. Als er een extern magnetisch veld wordt opgewekt – bijvoorbeeld door een stroom die in een spoel loopt – reageren deze domeinen op het veld.

Wanneer een magnetisatiecyclus is voltooid, beschrijft de magnetische fluxdichtheid (B) een gesloten curve, de hysteresislus, als functie van de magnetische veldsterkte (H). Dit is een basisfunctie om het magnetische gedrag te beschrijven. De oppervlakte van deze lus komt overeen met de energie die per cyclus verloren gaat.

Verliezen

De hysteresisverliezen worden veroorzaakt door verschillende microscopische processen in het materiaal. Vooral de beweging van de domeinwanden is belangrijk. Deze moeten interne weerstand overwinnen die veroorzaakt wordt door materiaaldefecten of spanningen.

Bovendien worden de magnetische momenten binnen de domeinen gedraaid. Ook dit proces kost energie. Aangezien deze processen niet volledig omkeerbaar zijn, gaat er energie verloren.

Deze verliezen treden samen op met andere soorten verliezen, zoals wervelstroomverliezen, en worden daarom vaak beschouwd als onderdeel van de totale ijzerverliezen. Andere extra verliezen kunnen ook optreden als gevolg van complexe interacties in het materiaal.

Beïnvloedende factoren

De hoeveelheid hysteresisverlies hangt af van verschillende factoren. Een belangrijke factor is het gebruikte materiaal. Speciale zachte magnetische materialen zoals transformatorstaal hebben lagere verliezen dan harde magnetische materialen.

De frequentie van de stroom heeft ook een grote invloed. Hoe sneller het magnetische veld verandert, hoe vaker het verliesmechanisme optreedt. De maximale magnetisatie speelt ook een rol.

Temperatuur, mechanische spanningen en de kwaliteit van het materiaal hebben ook invloed op de verliezen. Deze factoren worden vaak onderzocht als onderdeel van technische analyses en metingen in de elektrotechniek om het gedrag van de materialen nauwkeurig te bepalen.

Betekenis in de praktijk

Hysteresisverliezen zijn relevant in veel technische toepassingen, vooral in transformatoren, elektromotoren en generatoren. In al deze apparaten wordt de stroom gebruikt om magnetische velden op te wekken, wat onvermijdelijk tot verliezen leidt.

Dit zorgt ervoor dat de systemen warm worden en minder efficiënt werken. In industriële toepassingen kunnen zelfs kleine verliezen een grote impact hebben, omdat ze over lange bedrijfstijden bij elkaar opgeteld worden. Er worden vaak speciaal vervaardigde metalen platen gebruikt om de totale verliezen te beperken.

Inzicht in dit fysische effect is daarom cruciaal voor de ontwikkeling van efficiënte elektrische machines.

Vermindering van hysteresisverliezen

Er worden speciale materialen gebruikt om verliezen te minimaliseren, met name zachte magnetische legeringen zoals siliciumstaal. Deze materialen worden gekenmerkt door een smalle hysteresislus en beperken zo de energieverliezen.

De verwerking van het materiaal speelt ook een rol. Interne spanningen kunnen worden verminderd door warmtebehandeling. Daarnaast wordt het ontwerp van de onderdelen geoptimaliseerd om de totale verliezen te minimaliseren.

In de praktijk worden deze maatregelen vaak gecombineerd om ijzerverliezen, wervelstroomverliezen en bijkomende verliezen te minimaliseren.

Samenvatting

Hysteresisverliezen zijn een centrale component van ijzerverliezen in ferromagnetische materialen. Ze worden veroorzaakt door fysische processen tijdens het hermagnetiseren en leiden tot de omzetting van energie in warmte. Het effect treedt overal op waar magnetische velden worden opgewekt. Deze verliezen kunnen echter aanzienlijk worden gereduceerd door gerichte materiaalselectie, geoptimaliseerde werking van componenten en nauwkeurige metingen – met name op het gebied van elektrotechniek.