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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Magnetfeldenergie in Sättigung


Autor: Markus (Gast)
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Hallo!

Hab mal hier eine Frage zum Thema Induktivitäten, Kernsättigung und 
magnetische Energie.

Nach gängiger Überzeugung ist doch E=0.5*L*I^2.
Das führt zum beispiel bei einem Relai dazu, dass die magnetische 
Energie beim Ausschalten über die Freilaufdiode und über den Widerstand 
der Windung in Wärme umgewandelt wird.

So weit so gut. Jetzt behaupte ich aber folgendes: Treibe ich den Kern 
des Relais in die Sättigung, besitzt die Spule keine Induktivität mehr 
und der Strom wird nur mehr vom Ohmschen Widerstand begrenzt. Nach der 
obigen Formel gibt es also kein L mehr und damit auch keine magnetische 
Energie. Somit dürfte es aber auch keinen Strom durch die Freilaufdiode 
geben.

Wo ist mein Denkfehler?
Grüße
Markus

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Das L wird in Saettigung kleiner, es verschwindet nicht.

Autor: Fralla (Gast)
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Die Formel gilt nur für konstantes L. Um den Energiegehalt einer Spule 
die Sättigt zu berechnen musst du den Strom mit dem L aufintegrieren.

MFG

Autor: Spuler (Gast)
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Wenn der Kern gesättigt ist ist die Spule ja schon geladen. Die 
gespeicherte Energie will erst beim Abschalten des Stromes wieder raus. 
Dazwischen fließt der Strom durch den Ohmschen Widerstand der Spule.

Eben nur bei Gleichstrom. Du schreibst aber nicht ob Wechesl oder 
Gleichstrom.

Autor: Fralla (Gast)
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Genauer gesagt, das L ist in deinem Fall eine Funktion der Stromstärke 
Damit kannst du die einfache Formel für den
Energiegehalt nicht mehr verwenden. -> Berechnung über Integral, zb:
E = Int[ L(i)*I]di und das von 0 bis Imax

MFG

Autor: Markus (Gast)
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Hallo! Danke für die schnellen Antworten.

Das heißt also, dass ich den genauen Stromverlauf und den 
Induktivitätsverlauf kenen müsste, um die Verlustenergie berechnen zu 
können.

Sehe ich das richtig, dass erst ab dem Zeitpunkt, ab dem der Kern nicht 
mehr sättigt wieder Energie vorhanden ist?

Das Thema Simulation traue ich mich gar nicht erst anzusprechen. ;-) Am 
besten gleich mit einem Stromeinbruch, wenn der Magnetkreis plötzlich 
geschlossen wird.
Hätte jemand eine Buchenmpfählung, in dem so etwas behandelt wird?

Grüße
Markus

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Wie schon gesagt worden ist, die Induktivität wird NICHT 0 ... sie 
wird nur kleiner und strebt gegen den Wert den eine entsprechende 
Luftspule hätte. D.h. auch in Sättigung (die fängt ja auch relativ sanft 
an, d.h. die Induktivität wird nur ein wenig kleiner) enthält das 
Magnetfeld noch Energie.

Autor: Fralla (Gast)
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>Das heißt also, dass ich den genauen Stromverlauf und den
>Induktivitätsverlauf kenen müsste, um die Verlustenergie berechnen zu
>können.

Für viele Kernematerialien ist ein Zusammenhang zwischen µ und NI 
grafisch aber auch durch näherungsformeln gegeben. Damit kannst du das 
Integral berechnen.
Oder du mist die Induktivtät bei verschiendenen Strömen (je mehr umso 
besser) und machst eine Integration

>Sehe ich das richtig, dass erst ab dem Zeitpunkt, ab dem der Kern nicht
>mehr sättigt wieder Energie vorhanden ist?
Die Energie ist immer vorhanden. Nur weil die Formel (gilt für L als 
eine Konsante) sagt es sei wenig Energie vorhanden heist es nicht dass 
sie weg ist.
Ich habe vor kurzem eine eher hart sättigende Drossel gebaut, die soll 
10mH bei 2A haben. Hat sie auch. Bei 3A sinds nur mehr 2,8mH. Nach der 
Formel ist nur mehr die hälfte der Energie vorhanden. Dem ist aber nicht 
so. Bei 10A (kurzzeitig)ist im µH Bereich, also Luft.


>Das Thema Simulation traue ich mich gar nicht erst anzusprechen. ;-)
Ist durchaus auch mit LTSpice möglich, gibts genug im Netz.

MFG

Autor: Markus (Gast)
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Okay ich verstehe.

Die Induktivität wird bei steigender Sättigung kleiner, der Strom steigt 
dadurch schneller an.

Nehme ich jetzt den Augenblickswert der Induktivität und des Stromes, 
rechne ich auch den Augenblickswert der Energie aus. Die Induktivität 
steigt aber mit fallendem Strom. Somit muss ich alle Augenblickswerte im 
gesamten Stromverlauf zusammenaddieren (Integrieren). Sehe ich das 
richtig?

Wie könnte ich bei gegebenen Spulendaten und Kernmaterial die 
Induktivitäten bei verschiedenen Stromstärken bestimmen?

Dann werd ich mal zu denken anfangen und schauen, ob ich etwas 
brauchbares heraus bekomme.

Grüße
Markus

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo Markus,
man muss hier zwei Fälle unterscheiden. Bei einem Kern für ein 
Schaltnetzgerät wird in sehr schneller Folge der Kern magnetisiert. Die 
Kernverluste steigen beachtlich wenn man den Bereich der Sättigung 
erreicht.
Bei einem Relais spielen die Schaltverluste durch Sättigung des Kernes 
eine vernachlässigbare Rolle. Aber hier kann man auch Strom sparen. Bis 
der Anker anzieht wird die volle Spannung benötigt. Es muss der 
Luftspalt überwunden werden. Ist der Luftspalt dann geschlossen, so kann 
man den Strom deutlich senken. Es wird nur noch ein Haltestrom benötigt. 
Z.B. Anziehen mit 12V, Halten mit 3V.
Zu Deinen letzten Fragen. Hol Dir mal von Epcos das "Ferrite Magnetic 
Design Tool". Dort kannst Du die Zusammenhänge zwischen magnetischem 
Fluss, Induktivität und Verlusten ausprobieren.
Gruss Klaus.

Autor: Fralla (Gast)
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>Nehme ich jetzt den Augenblickswert der Induktivität und des Stromes,
>rechne ich auch den Augenblickswert der Energie aus. Die Induktivität
>steigt aber mit fallendem Strom. Somit muss ich alle Augenblickswerte im
>gesamten Stromverlauf zusammenaddieren (Integrieren). Sehe ich das
>richtig?

Ja, so funktionierts.

>Wie könnte ich bei gegebenen Spulendaten und Kernmaterial die
>Induktivitäten bei verschiedenen Stromstärken bestimmen?

Wenn du die Induktivtät bei bestimmten Strom messen kannst, kannst du 
alle weiteren Parameter, auch B berechnen. Beachte das bei der 
Flußdichtenberechung wider integriert werden muss, sonst nimmt diese 
Scheinbar bei zunehmdenem Strom ab (wie beim E).

Privat hab ich noch keine L mit Bias Strom gemessen. Ich machs in der 
Arbeit mit einer LCR Brücke mit Bias-Units. Diese schicken DC-Strom 
durch die Drossel ohne die Brücke zu Stören. Ist natürlich aufeinander 
abgestimmt und kostet im 5Stelligen € bereich, mit dem Bias Units noch 
mehr.
http://www.waynekerrtest.com/global/html/products/...
Mit einner herkömlichen Brücke darf man nicht mit gemeinsam irgendeinem 
Netzteil messen. Die Ausgangskapazität würde die messung bestimmen.
Es müsste eine Ideale Stromquelle sein damits keine Beeinflußung gibt. 
Dafür gibts spezielle Stromquellen, aber auch sehr teuer.

Privat hab ich magnetisierte Drosseln noch nicht gemessen. Die Methode 
den Kern durch zusätzliche Wicklungen zu magnetisieren ist Murks. Und 
Mittels Transistor eine näherungsweise ideale Stromquelle zu bauen 
wollte ich mir nicht antun, den 100A müssten es schon sein.
Gibt vl andere Methoden,  da wissen andere vielleicht mehr dazu..

Epcos Design Tool, ist ein guter Tipp, da kannst du mit DC-Bias, L, N 
und Luftspalt spielen...

Autor: Markus (Gast)
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Hallo!

Danke für eure Antworten! Scheinbar ist das ganze Thema doch nicht so 
leicht. Zusätzlich hätte ich noch zu berücksichtigen, dass der Luftspalt 
keineswegs konstant ist. Somit wären alle meine Rechnungen extrem 
ungenau und würde in der Praxis sowieso ein komplett anderes Ergebnis 
bringen.

Aber ist schon interessant, wie schnell man bei solchen Sachen aus der 
einfachen Theorie in die komplizierte Praxis kommt!

Danke für den Tipp für das Programm. Ich werds mir gleich mal ansehen.

Grüße
Markus

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