Hysteresförluster

Hysteresförluster är energiförluster som uppstår i ferromagnetiska material som t.ex. järn när de utsätts för ett periodiskt växlande magnetfält. De hör till de så kallade järnförlusterna och förekommer framför allt i komponenter som drivs med elektrisk energi. Förlusterna orsakas av att magnetiseringen av ett material inte följer det yttre magnetfältet direkt och utan förluster. Denna effekt är känd som hysteres. Den energi som går förlorad i processen omvandlas till värme.

Fysisk bakgrund

Hysteresförlusterna har sitt ursprung i fysiken hos ferromagnetiska material. Dessa består av magnetiska domäner, dvs. de minsta områden där de magnetiska momenten är inriktade i samma riktning. Om ett externt magnetfält genereras – t.ex. av en ström som flyter i en spole – reagerar dessa domäner på fältet.

När en magnetiseringscykel är avslutad beskriver den magnetiska flödestätheten (B) en sluten kurva, hysteresisloopen, som en funktion av den magnetiska fältstyrkan (H). Detta utgör en grundläggande funktion för att beskriva det magnetiska beteendet. Arean på denna slinga motsvarar den energi som går förlorad per cykel.

Förluster

Hysteresförlusterna orsakas av flera mikroskopiska processer i materialet. Domänväggarnas rörelse är särskilt viktig. Dessa måste övervinna inre motstånd som orsakas av materialdefekter eller spänningar.

Dessutom roteras de magnetiska momenten inom domänerna. Även denna process kräver energi. Eftersom dessa processer inte är helt reversibla går energi förlorad.

Dessa förluster uppträder tillsammans med andra typer av förluster, t.ex. virvelströmsförluster, och betraktas därför ofta som en del av de totala järnförlusterna. Andra ytterligare förluster kan också uppstå som ett resultat av komplexa interaktioner i materialet.

Påverkande faktorer

Hur stor hysteresförlusten blir beror på olika faktorer. En viktig faktor är det material som används. Speciella mjukmagnetiska material, t.ex. transformatorstål, har lägre förluster än hårdmagnetiska material.

Strömmens frekvens har också ett stort inflytande. Ju snabbare magnetfältet ändras, desto oftare inträffar förlustmekanismen. Den maximala magnetiseringen spelar också en roll.

Temperatur, mekaniska spänningar och materialets kvalitet påverkar också förlusterna. Dessa faktorer undersöks ofta som en del av tekniska analyser och mätningar inom elektroteknik för att exakt kunna fastställa materialens beteende.

Betydelse i praktiken

Hysteresförluster är relevanta i många tekniska tillämpningar, i synnerhet i transformatorer, elmotorer och generatorer. I alla dessa enheter används strömflödet för att generera magnetfält, vilket oundvikligen leder till förluster.

Detta leder till att systemen värms upp och blir mindre effektiva. I industriella applikationer kan även små förluster ha stor inverkan eftersom de ackumuleras under långa drifttider. Specialtillverkade metallplåtar används ofta för att minska de totala förlusterna.

Att förstå denna fysikaliska effekt är därför avgörande för utvecklingen av effektiva elektriska maskiner.

Minskning av hysteresförluster

För att minimera förlusterna används speciella material, framför allt mjukmagnetiska legeringar som kiselstål. Dessa material kännetecknas av en smal hysteresisloop och minskar därmed energiförlusterna.

Bearbetningen av materialet spelar också en roll. Inre spänningar kan minskas genom värmebehandling. Dessutom optimeras komponenternas konstruktion för att minimera de totala förlusterna.

I praktiken kombineras ofta dessa åtgärder för att minimera järnförluster, virvelströmsförluster och ytterligare förluster.

Sammanfattning

Hysteresförluster är en central del av järnförlusterna i ferromagnetiska material. De orsakas av fysikaliska processer under ommagnetiseringen och leder till att energi omvandlas till värme. Effekten uppstår överallt där magnetfält genereras. Dessa förluster kan dock minskas avsevärt genom målinriktat materialval, optimerad komponentfunktion och exakt mätning – särskilt inom elektroteknik.