7.2.2 Magnetische Verluste

Wir betrachten ein ferromagnetisches Material mit einer gegebenen Hysteresekurve. Wir stecken es in ein oszillierendes Magentfeld bei einer Frequenz, der das Material noch problemlos folgen kann. Dann gibt es zwei vollständig unabhängige Mechanismen, die zu magnetischen Verlusten führen, d. h. das Material aufheizen.
1. Das magnetische Wechselfeld induziert Ströme, die im Material herumwirbeln, eben Wirbelströme. Wie stark diese Wirbelströme sind, und damit die Wirbelstromverluste PWirb, hängt natürlich davon ab, wie leitfähig das Material ist; in Isolatoren treten sie nicht auf. Die wirklich guten (oder billigen) Ferromagnete sind aber i. d. R. Metalle ("Trafoeisen"), und damit sind Wirbelstromverluste sehr real.
2. Die holprige Bewegung der Domänenwände braucht Energie, die letztlich in Wärme umgewandelt wird; auch in nichtleitenden Ferrimagneten. Das sind dann intrinsische magnetischen Verluste oder Hystereseverluste PHyst.
Beide Effekte addieren sich. Ohne Details zu betrachten ist doch folgendes sofort klar. Die magnetischen Verluste nehmen zu mit:
1. Der Frequenz f in beiden Fällen, denn in jedem Zyklus um die Hysteresekurve herum wird ein bestimmter fixer Verlust anfallen.
2. Dem maximalen magnetischen Fluss Bmax (oder der Magnetisierung) in beiden Fällen.
3. Der Leitfähigkeit s = 1/r für die Wirbelstromverluste.
4. Der magnetischen Feldstärke H für die intrinsischen magnetischen Verluste.
Eine genauere theoretischen Betrachtung ergibt das folgende Ergebnis für die gesamten magnetischen oder, wie man auch sagt, "Eisen" Verluste PFe pro cm-3:
PFe  »   PWirb  +  PHyst  »  p · d2
6r
· (f · Bmax)2  +  2f · HC · Bmax
Mit d = Dicke des Materials senkrecht zur Feldrichtung, HC = Koerzitivfeldstärke.
Es ist klar, was man tun muss um die Wirbelstromverluste zu minimieren:
Verwende ein Material mit hohem Widerstand - einen Ferrimagneten oder Ferrit. Was man an Sättigungsmagnetisierung verliert, kann vielleicht durch die reduzierten Verluste, vor allem bei hohen Frequenzen, wieder reinkommen.
Falls das nicht geht: Mache d klein durch Stapeln dünner isolierter ferromagnetischen Scheiben. Das ist die Lösung, die man in jedem Standardtransformator findet.
Schauen wir uns jetzt mal die Hystereverluste Physt an.
Der Term HC · Bmax entspricht im wesentlichen der Fläche unter der Hysteresekurve. Multipliziert mit zweimal der Frequenz hat man eine gute Näherung für diese Verluste.
In anderen Worten: That's it! Für ein gegebenes magnetisches Material sind das die magnetischen Verluste die man hat; man kann nichts dagegen tun.
Die einzige Wahl, die man hat, ist ein Material zu nehmen, dessen Hysteresekurve für den geplanten Zweck optimal ist. Das gibt Anlass zu Fragen:
1. Was für eine optimale Hysteresekurve brauche ich überhaupt für die geplante Anwendung?
2. Was gibt es denn so im Wunschbereich?
3. Kann ich die Hysteresekurve eines Materials im Zweifel so ändern, dass sie passt?
Das schauen wir uns in den nächsten Moduln an.
 
Fragebogen
Schnelle Fragen zu 7.2.2

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