Позвоните в службу поддержки
+86-795-3241001
В последнее время все чаще сталкиваюсь с вопросами, связанными с потерями магнитной энергии в различных магнитных материалах. И знаете, часто возникает путаница. Многие считают, что просто выбирать материал с высокой магнитной проницаемостью – это панацея. Но дело не только в этом. И, честно говоря, этот вопрос гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. В индустрии, особенно в области новых энергетических решений, это критически важно – от понимания и минимизации потерь зависит эффективность всего устройства.
Итак, давайте начнем с определения. Магнитные потери – это энергия, рассеиваемая в магнитном материале в процессе его намагничивания и размагничивания. Это может происходить по разным причинам: гистерезис, вихревые токи, потери на сопротивление. Эти потери проявляются в виде тепла и снижают общую эффективность магнитной системы. Представьте себе электродвигатель или инвертор – большие потери означают больше нагрева, меньшую мощность и, как следствие, худший КПД. В нашей компании, ООО ?Цзянси Даю Технология? (https://www.dayou-tech.ru/), мы постоянно сталкиваемся с этой проблемой при разработке и оптимизации магнитных компонентов для различных применений – от электромобилей до солнечных инверторов.
Важность минимизации потерь особенно возрастает с развитием новых технологий. Например, в электромобилях каждый киловатт энергии на километр пути на счету. Уменьшение магнитных потерь в электродвигателях позволяет увеличить запас хода. Аналогичная ситуация с солнечными инверторами: потери энергии в инверторе приводят к снижению общей производительности солнечной электростанции. Мы работаем с различными материалами, и каждый из них имеет свои особенности, свои преимущества и свои недостатки в плане потерь.
Гистерезис – это, пожалуй, самый распространенный тип магнитных потерь. Он связан с необходимостью преодолевать энергетический барьер при перемагничивании материала. Чем выше коэрцитивная сила материала (способность сохранять намагниченность), тем больше гистерезисные потери. Мы часто работаем с ферритами, которые, хоть и обладают хорошей электропроводностью, имеют относительно высокие гистерезисные потери по сравнению с другими материалами. Причем, характеристики ферритов сильно зависят от их состава и технологии изготовления. Например, мы недавно провели сравнительное тестирование нескольких типов ферритов для использования в трансформаторах питания для зарядных станций для электромобилей. Результаты показали, что незначительные изменения в составе (добавление небольшого количества определенных примесей) могут существенно повлиять на гистерезисные потери.
Иногда, при проектировании, пытаются решить проблему, выбирая материалы с низкой магнитной проницаемостью. Звучит логично, но это часто приводит к другим проблемам. Например, увеличивается требуемая сила тока для достижения нужного магнитного потока, что, в свою очередь, увеличивает потери на сопротивление. Поэтому, нужно искать баланс.
Вихревые токи – это еще один значительный источник магнитных потерь, особенно в материалах с высокой электропроводностью. Они возникают из-за переменного магнитного поля, индуцированного в материале. По сути, эти токи 'текут' внутри материала, рассеивая энергию в виде тепла. Для борьбы с вихревыми токами используются различные методы: использование многослойных конструкций, применение специальных материалов с высокой немагнитивностью, а также использование экранирования. В некоторых случаях, для снижения вихревых токов используют специальные структуры, например, магнитные сердечники с ячейками или периодическим рисунком.
Мы активно используем методы электромагнитного моделирования (FEM-моделирование) для оптимизации конструкции магнитных компонентов и минимизации вихревых токов. Это позволяет предсказать поведение магнитной системы в различных режимах работы и выбрать оптимальные параметры конструкции. Например, при разработке сердечника для индуктора для power electronics мы использовали FEM для оптимизации геометрии и уменьшения вихревых потерь при высоких частотах.
Нельзя забывать о потерях на сопротивление в обмотках. Это потери энергии, обусловленные сопротивлением проводника. Их можно существенно снизить, используя проводники с высокой проводимостью (например, медь или алюминий) и уменьшая их сечение. Для высокочастотных приложений все чаще используют литцендрат – многожильный проводник, каждый проводник которого изолирован друг от друга. Это позволяет снизить эффект Вендельштейна (эффект концентрации тока на поверхности проводника) и уменьшить потери на сопротивление.
При выборе материалов для обмоток необходимо учитывать не только их проводимость, но и их механические свойства и температурную стабильность. В электромобилях, например, обмотки электродвигателей подвергаются высоким температурам, поэтому необходимо использовать материалы, которые сохраняют свои свойства при повышенных температурах. В нашей практике, мы часто используем специальные сплавы меди с добавками для повышения их механической прочности и устойчивости к высоким температурам.
Мы, конечно, не всегда сразу находим оптимальное решение. Вспомню один интересный случай с разработкой магнитосварки. Мы изначально выбрали материал, который, казалось бы, был идеальным с точки зрения магнитных потерь. Но при практических испытаниях оказалось, что он имеет очень низкую механическую прочность и крошится при высоких нагрузках. Пришлось начинать переработку конструкции и выбор материала с нуля. Этот опыт научил нас, что необходимо учитывать не только магнитные свойства материала, но и его механические свойства, стоимость и доступность.
Еще один урок – важно правильно проводить измерения магнитных потерь. Иногда, из-за неточностей в измерительном оборудовании или неправильной методики, можно получить искаженные результаты. Мы используем различные методы измерений, включая метод анализа тепловыделения и метод анализа магнитной индукции, для получения максимально точных результатов.
В будущем мы ожидаем появления новых магнитных материалов с еще более низкими магнитными потерями. Например, разрабатываются новые типы ферромагнетиков с улучшенными магнитными свойствами и сниженными гистерезисными потерями. Также активно исследуются новые технологии изготовления магнитных компонентов, например, технология 3D-печати магнитных материалов. Мы внимательно следим за развитием этих технологий и планируем использовать их в наших разработках.
Помимо новых материалов и технологий, важную роль будет играть оптимизация конструкции магнитных компонентов с использованием современных методов электромагнитного моделирования и анализа данных. Мы уверены, что совместное применение этих подходов позволит нам создавать более эффективные и надежные магнитные системы для различных применений.
