Tecnologia / Guida tecnica
Perdite nel nucleo del generatore: isteresi magnetica e correnti parassite
Un campo magnetico variabile può trasferire energia sotto forma di calore all'interno di un nucleo magnetico. L'isteresi e le correnti parassite hanno origine da meccanismi diversi, sebbene entrambe possano contribuire alle perdite elettromagnetiche di un generatore. Comprendere questa distinzione evita di considerare la saturazione magnetica o il riscaldamento del rame come una spiegazione completa del comportamento del nucleo.
I cicli magnetici e i percorsi conduttivi chiusi generano perdite diverse.
L'ampiezza del campo, la frequenza dei cicli e la descrizione del materiale richiedono ciascuna una definizione del proprio ambito prima di poter costituire un modello delle perdite nel nucleo.
01 / Sedi delle perdite
Le perdite nel nucleo e le perdite nell'avvolgimento hanno ambiti distinti.
La corrente nell'avvolgimento dissipa energia nel filo conduttore.
La corrente nell'avvolgimento dissipa energia nel filo conduttore. Un nucleo magnetico può inoltre dissipare energia attraverso le variazioni della magnetizzazione e le correnti indotte all'interno del materiale conduttore. Definire entrambi gli effetti come perdite elettriche non rende identici la loro distribuzione spaziale o il loro meccanismo causale.
La documentazione di COMSOL sulle perdite elettromagnetiche distingue il riscaldamento resistivo dai contributi dell'isteresi magnetica e delle correnti parassite. Un valore di rendimento dell'intero generatore combina diversi percorsi di perdita; da solo non può rivelare quanto calore sia attribuibile al nucleo, all'avvolgimento, ai cuscinetti o ad altre parti.
02 / Storia magnetica
La risposta del campo segue un percorso, piuttosto che una linea.
Per un materiale con isteresi, la relazione tra la densità di flusso magnetico B e l'intensità del campo magnetico H dipende dalla storia precedente della magnetizzazione.
Per un materiale con isteresi, la relazione tra l'induzione magnetica B e l'intensità del campo magnetico H dipende dalla storia di magnetizzazione precedente. L'aumento e la diminuzione dell'eccitazione possono seguire percorsi diversi. Questa dipendenza dalla storia precedente è distinta da una curva non lineare che si presume reversibile.
La spiegazione della curva B–H illustra perché un unico valore di permeabilità lineare non possa rappresentare ogni risposta magnetica. Un ciclo di isteresi descrive un ciclo di tale risposta; la sua forma è propria di un materiale e di un'eccitazione dichiarati, non di ogni generatore con la stessa potenza nominale.
03 / Energia per ciclo
Ripetere la stessa perdita per ciclo aumenta la potenza media.
Per un ciclo magnetico ripetibile specificato, sia wcyc l'energia dissipata per unità di volume e per ciclo.
Per un ciclo magnetico ripetibile specificato, sia wcyc l'energia dissipata per unità di volume per ciclo. Se lo stesso ciclo si ripete alla frequenza f, la sua densità media di perdita è f wcyc. I joule per metro cubo per ciclo diventano watt per metro cubo attraverso la frequenza di ripetizione.
Come esempio ipotetico di proporzionalità, un numero doppio di cicli invariati al secondo produce un contributo doppio a quella specifica perdita media. Un aumento reale della frequenza può anche modificare il ciclo e altri meccanismi di perdita, quindi questo confronto limitato non costituisce una legge universale per le perdite totali nel nucleo.
04 / Correnti parassite
Variazioni nel flusso possono generare correnti all'interno di un corpo conduttivo.
Un campo concatenato variabile nel tempo può indurre correnti lungo percorsi conduttivi all'interno del materiale.
Un campo concatenato variabile nel tempo può indurre correnti lungo percorsi conduttivi all'interno del materiale. La resistenza di tali percorsi dissipa energia sotto forma di calore. Queste correnti non coincidono necessariamente con la corrente prevista nell'avvolgimento, e i percorsi possono trovarsi nel nucleo o nelle parti strutturali conduttive circostanti.
Suddividere una regione conduttrice in percorsi elettricamente separati modifica i possibili circuiti delle correnti. La costruzione a lamierini è un concetto costruttivo generale associato a questo meccanismo, ma il suo effetto dipende dalla geometria, dall'orientamento, dall'isolamento e dalle proprietà del materiale. Qui non viene accertata alcuna costruzione effettiva del nucleo MARSTON.
05 / Effetti della forma d'onda
Un uguale flusso di picco non implica uguali perdite nel nucleo.
Due forme d'onda magnetiche possono raggiungere lo stesso valore di picco B, ma percorrere traiettorie diverse e variare a velocità differenti.
Due forme d'onda magnetiche possono raggiungere lo stesso valore di picco B, ma percorrere traiettorie diverse e variare a velocità differenti. Il contenuto armonico e la storia operativa possono quindi essere rilevanti insieme al valore di picco e alla frequenza nominale. Un adattamento sinusoidale ha un proprio intervallo di applicabilità.
La pagina guida alla saturazione riguarda la risposta non lineare del campo, mentre il guida alla temperatura del magnete riguarda il comportamento dei magneti permanenti. Nessuno dei due sostituisce una spiegazione delle perdite nel nucleo dipendente dal tempo né fornisce un coefficiente di perdita effettivo.
06 / Ambito del modello
Tenere distinta una spiegazione causale dai valori nominali del materiale.
La guida alle perdite del generatore tratta il perimetro complessivo del punto di funzionamento.
La pagina guida alle perdite del generatore tratta il limite combinato del punto operativo. Qui, distinguere i meccanismi spiega perché la resistenza del rame, una curva B–H e una mappa di rendimento rispondono a domande diverse. Un elemento non determina univocamente gli altri.
Non vengono attribuiti a MARSTON alcun grado di acciaio elettrico, spessore delle lamiere, coefficiente empirico delle perdite nel nucleo o valore misurato delle perdite nel ferro. La spiegazione non fornisce impostazioni di eccitazione, prove magnetiche, sostituzioni di materiale o limiti termici; riguarda il significato fisico dei distinti termini di perdita.
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Informazioni generali: COMSOL: meccanismi di perdita elettromagnetica distinti · COMSOL: risposta magnetica non lineare e rappresentazione B–H. Questi riferimenti spiegano concetti del settore; sono distinti dai documenti MARSTON di prodotto e di progetto applicabili.
Concetti e condizioni fondamentali.
Leggere ogni grandezza insieme al riferimento, alle unità e alle condizioni dichiarate. Una relazione generale non stabilisce un valore specifico di un modello.
| Concetto / grandezza | Significato / relazione | Condizioni / limiti |
|---|---|---|
| Perdita nell'avvolgimento | Riscaldamento previsto del conduttore | La distribuzione della corrente e le condizioni dei fili sono importanti. |
| Isteresi | Ciclo magnetico dipendente dalla storia. | Una curva non lineare reversibile è un modello diverso. |
| Densità di perdita per ciclo | f wcyc in W/m³ | Si assume lo stesso ciclo dissipativo ripetibile. |
| Perdita per correnti parassite | Calore generato da correnti indotte in percorsi conduttivi chiusi | Percorsi, geometria e campi variabili sono importanti. |
| Perdita totale del generatore. | Contributi multipli | Le perdite nel nucleo non possono essere isolate dalla sola efficienza. |
Domande ingegneristiche.
Le perdite nel nucleo sono soltanto perdite nel rame I²R?
No. I cicli magnetici e le correnti indotte occupano ulteriori confini fisici.
La non linearità implica sempre isteresi?
No. Una risposta non lineare reversibile può essere modellata separatamente dalla dipendenza dalla storia.
Raddoppiare la frequenza raddoppia sempre le perdite totali?
Solo il contributo per ciclo dichiarato invariato segue tale legge di scala; gli altri meccanismi e il ciclo possono cambiare.
Le correnti parassite sono sempre la corrente prevista nell'avvolgimento?
No. Possono circolare all'interno del nucleo conduttivo o lungo i percorsi strutturali.
Lo stesso valore di picco di B garantisce perdite uguali?
No. Contano anche la forma d'onda, la velocità di variazione e la storia.
Sono identificati i materiali effettivi dei nuclei MARSTON o i relativi coefficienti?
No. La pagina spiega i meccanismi senza attribuire una specifica realizzazione costruttiva o perdite misurate.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
Un campo magnetico in continua variazione può trasferire energia sotto forma di calore all'interno di un nucleo magnetico. Condividi il modello e le informazioni operative o di progettazione applicabili per una discussione tecnica.