Bei magnetischen Wechselfeldern wie sie in elektrischen Maschinen (Motoren, Transformatoren, Relais ...) vorkommen, entstehen im Eisen Wärmeverluste. Die Veränderung der Magnetisierung kann durch Wechselströme und auch durch die Bewegung (Drehung) des Magnetfeldes oder des Eisens erfolgen. So erfährt zum Beispiel auch der Rotor einer Gleichstrommaschine ein magnetisches Wechselfeld. Man unterscheidet zwischen Wirbelstrom- und Hystereseverlusten.
Wirbelstromverluste
Wenn sich der magnetische Fluss ändert, wird in den Fluss umschliessenden elektrischen Leitern, eine elektrische Spannung induziert. Da Eisen auch elektrisch leitend ist, führt diese Spannung im Eisen zu Wirbelströmen (Kreisströmen), welche das Eisen aufheizen. Die induzierte Spannung ist abhängig von der Querschnittsfläche, der magnetischen Flussdichte und der Frequenz. Die Wirbelstromverluste nehmen mit der induzierten Spannung quadratisch zu.
| Symbol | Einheit | Bezeichnung | Beziehungen |
|---|---|---|---|
| Φ | Vs | Magnetischer Fluss | |
| t | s | Zeit | |
| f | Hz | Frequenz | |
| ω | 1/s | Kreisfrequenz | ω = 2 π f |
| A | m² | Querschnittsfläche (quer zum magnetischen Fluss) | |
| B | T | Magnetische Flussdichte | B = Φ / A |
| U | V | Induzierte, elektrische Spannung | U = dΦ / dt |
| U = A dB/ dt | |||
| U = A ω B | |||
| ρ | Ωm | Spezifischer Ohmscher Widerstand des Eisens | |
| l | m | Länge des Strompfades im Eisen | |
| As | m² | Querschnitt des Strompfades im Eisen | |
| R | Ω | Elektrischer Widerstand | R = ρ l / As |
| Pvw | W | Wirbestromverluste | Pvw = U² / R |
| Pvw = (A ω B)² / R | |||
| Bemerkung: Bei den Werten wird hier vom Effektivwert ausgegangen. | |||
Durch eine Unterteilung der Eisenfläche in elektrisch voneinander isolierte Bleche wird in den einzelnen Blechelementen durch die geringere Querschnittsfläche weniger Spannung induziert und der ohmsche Widerstand für den Wirbelstrom wird grösser. Durch diese Aufteilung des Eisens in gestapelte und isolierte Bleche (Lamellierung) werden die Wirbelstromverluste stark reduziert. Die magnetische Leitfähigkeit des Eisens wird auch etwas reduziert, was mit dem Eisenfüllfaktor berücksichtigt wird.
Hystereseverluste
Wenn Materialien ummagnetisiert werden, muss Energie für die veränderte Ausrichtung der innern Elementarstrukturen (Weisssche Bezirke) aufgewendet werden. Dieses Umdrehen verursacht Wärme im Eisen. Anhand der Magnetisierungskennlinie (B-H-Diagramm) des Eisens sieht man, dass die positive und negative Magnetisierung des Materials nicht auf der selben Bahn verläuft, es gibt eine Hysterese. Bei jeder Ummagnetisierung entstehen spezifische Wärmeverluste pro Volumen, welche dem Umlaufintegral auf der Magnetisierungskennlinie entsprechen. In der Fachwelt werden die Begriffe Hystereseverluste oder Ummagnetisierungsverluste für diesen Effekt verwendet.
| Symbol | Einheit | Bezeichnung | Beziehungen |
|---|---|---|---|
| B | T | Magnetische Flussdichte | |
| H | A/m | Magnetische Feldstärke | |
| Wh | J/m³ | Ummagnetisierungsenergie | Wh = ∫H dB |
| ω | 1/s | Kreisfrequenz | |
| Pvh | W | Hysteresverluste | Pvh ~ ω B² |
Die sich ergebende Hystereseverluste nehmen mit der magnetischen Flussdichte quadratisch und deren Frequenz linear zu. Die Hystereseverluste kann man durch entsprechende Materialwahl reduzieren.
Spezifische Eisenverluste
Die Eisenverluste sind die Summe der Wirbelstrom- und Hystereseverluste. Sie sind schwierig exakt vorauszuberechnen, da die lokalen Flussverhältnisse sowie die Verarbeitung der Bleche die Werte beeinflussen. Weil die Eisenverluste von der Veränderung der magnetischen Flussdichte abhängig sind, werden spezifischen Werte pro kg Eisen für eine ausgewählte Flussdichte, Flussrichtung und Frequenz angegeben. Je nach Eisenqualität und Blechdicke liegen die spezifischen Eisenverluste zwischen 0.8 bis 12 W/kg bei einer Flussdichte von 1.5 T und einer Frequenz von 50 Hz.
