Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Hysterese bei Wechselstrom


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von M. S. (perilun)


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Hallo,

ich würde gerne wissen wie sich die magnetische Hysterese in der 
Abhängigkeit der Frequenz ändert im Bereich bis 10 kHz?

Danke!

: Verschoben durch Moderator
von Georg G. (df2au)


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Welches Material?

von M. S. (perilun)


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Ferromagnetisches Material, also Stahl.

von Achim S. (Gast)


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ich weiß nicht genau, was du mit

> wie sich die magnetische Hysterese in der
> Abhängigkeit der Frequenz ändert

meinst. Aber ein wesentlicher Effekt ist, dass die zunehmenden 
Wirbelströme das Innere des Eisens vor dem Magnetfeld abschirmen. Bei 
10kHz beträgt die Eindringtiefe des Magnefeld weniger als 100µm. Wenn 
dein Eisen nicht aus sehr dünnen Trafoblechen besteht, dann geht seine 
Wirkung aufs Magnetfeld also sehr stark zurück, weil nur noch eine dünne 
Oberflächenschicht überhaupt was vom Magnetfeld mitkriegt. Umgekehrt 
bekommst du eine zunehmende Heizleistung (weil die Wirbelströme im Eisen 
ohmsche Verluste machen).

http://www.ief.uni-rostock.de/fileadmin/iaet/content/Vorlesung_Skineffekt.pdf

von M. S. (perilun)


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Der so genannte Skin-Effekt ist mir durchaus bekannt.
Was mich interessiert ist, ändert sich die Form der Hysterese von der 
Frequenz? Wie wirkt sich die Frequenz auf die Hysterese des Werkstoffs 
aus?

von Achim S. (Gast)


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lokal betrachtet direkt an der Oberfläche des Eisens ändert sich die 
Hysteresekurve imho nicht.

Aber wenn du die Hysteresekurve extern misst dürftest du eine "mittlere" 
Kurve des gesamten Eisenquerschnitts bekommen. Damit lässt sich die 
Sache meiner Meinung nach nicht getrennt vom Skineffekt betrachten - 
weil ein zunehmender Teil des Eisenquerschnitts weniger stark 
ummagnetisiert wird. Wie genau sich diese mittlere Hystereskurve 
verschiebt wird (aufgrund des Skineffekts) von der Geometrie deines 
Ferromagnets abhängen.

von Georg G. (df2au)


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M. S. schrieb:
> Ferromagnetisches Material, also Stahl.

Etwas spezifischer musst du schon werden. Die Hysterese Eigenschaften 
sind stark abhängig vom Material.

> Was mich interessiert ist, ändert sich die Form der Hysterese von der
> Frequenz?

Ja, iA steigen die Verluste mit der Frequenz an. Damit ändert sich auch 
die Hysterese Kurve. Das Thema ist recht komplex. An der Uni kann man da 
einige Tage drüber diskutieren und einige Dutzend Seiten Papier lesen.

von M. S. (perilun)


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Kannst du da Literatur empfehlen. Wie gesagt ich weiß keine weiteren 
Eigenschaften. Ich weiß nur, dass es Stahl ist und das er 
ferromagnetisch ist. Da es kein Dauermagnet ist, vermute ich mal, dass 
es ein weichmagnetischer Stoff ist. Mehr weiß ich auch nicht.

Gibt es da gute Literatur?

von Peter R. (pnu)


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Wenn Du bei einer kleinen Probe den Zusammenhang B - H misst, wird er 
frequenzunabhängig sein.
 Karbonyleisen, ein aus feinsten Eisenkörnern bestehendes Material, 
dürfte bis in die 100kHz hinein eine unveränderte Kurve zeigen.


Je höher die Frequenz aber ist, desto wirksamer ist die Stromverdrängung 
in massivem Eisen sein und du bekommst eine Kurve, die garnicht das 
Verhalten des reinen Eisens alleine darstellt, sondern Bmax wird nur in 
einer Randzone erreicht, weiter innen liegende Teile des Eisenkörpers 
werden zur Originalhysterese nicht mehr beitragen, die Kurve wird 
flacher und die Öffnung der Hysterese wird kleiner.

Durch die Wirbelströme wird ein Teil der Messprobe von der Messanordnung 
abgetrennt, in den abgetrennten Teilen wird natürlich eine Kurve 
durchfahren, die mit der an der Außenschicht durchfahrenen Kurve nichts 
gemeinsam hat. Die Messanordnung zeigt dann irgendeinen Mittelwert aus 
all den Signalen, die die Teilzonen liefern.

Von der gemessenen Induktivität her wird z.B. die Induktivität beim 
Einsatz der Stromverdrängung abnehmen, weil ein zunehmenrder Teil des 
Eisens garnicht mehr erreicht wird.

: Bearbeitet durch User
von M. S. (perilun)


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Peter R. schrieb:

>
>
> Je höher die Frequenz aber ist, desto wirksamer ist die Stromverdrängung
> in massivem Eisen sein und du bekommst eine Kurve, die garnicht das
> Verhalten des reinen Eisens alleine darstellt, sondern Bmax wird nur in
> einer Randzone erreicht, weiter innen liegende Teile des Eisenkörpers
> werden zur Originalhysterese nicht mehr beitragen, die Kurve wird
> flacher und die Öffnung der Hysterese wird kleiner.


Kann das irgendwo etwas genauer nachgelesen werden?


> Durch die Wirbelströme wird ein Teil der Messprobe von der Messanordnung
> abgetrennt, in den abgetrennten Teilen wird natürlich eine Kurve
> durchfahren, die mit der an der Außenschicht durchfahrenen Kurve nichts
> gemeinsam hat. Die Messanordnung zeigt dann irgendeinen Mittelwert aus
> all den Signalen, die die Teilzonen liefern.

Hier verstehe ich nicht ganz was gemeint ist. Was wird mit der 
Abtrennung von der Messanordnung gemeint?


Klingt aber insgesamt, als ob es das wäre was ich suche. Ich verstehe es 
nur noch nicht ganz. Gibt es dazu wirklich keine guten Bücher?

von Homo Habilis (Gast)


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M. S. schrieb:
> Klingt aber insgesamt, als ob es das wäre was ich suche.

Selbstverständlich klingt es danach - weil diese Zusammenhänge universal 
gelten, bei solchen Materialien.

M. S. schrieb:
> Was wird mit der
> Abtrennung von der Messanordnung gemeint?

Etwas verwaschen ausgedrückt, aber eigentlich wohl dasselbe, wie zuvor:

Daß nur noch "die Oberfläche" (abgängig von der Eindringtiefe, und damit 
von Material, Frequenz, Signalform, ...) zur Messung "beiträgt".

Man mißt also Mist.

Wie immer würde die Anwendung (oder zumindest Teile davon) zur 
Aufklärung beitragen.

von M. S. (perilun)


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Gibt es ein Buch, wo das noch etwas genauer steht, weil ich nichts 
gefunden habe?

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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M. S. schrieb:
> Gibt es ein Buch, wo das noch etwas genauer steht, weil ich nichts
> gefunden habe?

Z.B.: Karl Vogt: Berechnung elektrischer Maschinen, VCH, 1996.

Kap. 12.1.2 Eigenzeitkonstante eines massiven Eisenkreisabschnitts

Wobei sich Vogt wieder auf Rüdenberg, R.: Elektrische Schaltvorgänge. 
Berlin, Göttingen, Heidelberg: Springer-Verlag 1953, s. 73 bezieht.

Grüßle,
Volker.

von M. S. (perilun)


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Volker B. schrieb:
> Wobei sich Vogt wieder auf Rüdenberg, R.: Elektrische Schaltvorgänge.
> Berlin, Göttingen, Heidelberg: Springer-Verlag 1953, s. 73 bezieht.

Erst einmal Danke für den Buchtipp!
Ich habe kurz in Rüdenberg reingesehen. Dort habe ich nichts zu 
Hysterese gefunden, sondern zu Oberfeldern. Gibt es aber nichts zu 
Hysteresen?

: Bearbeitet durch User
von Wolfgang (Gast)


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M. S. schrieb:
> Ich weiß nur, dass es Stahl ist

Warum nicht gleich "Metall". Es wird doch eine Werkstoffnummer geben.

von M. S. (perilun)


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Also von mir aus C45

von Wolfgang (Gast)


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von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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M. S. schrieb:

> Erst einmal Danke für den Buchtipp!
> Ich habe kurz in Rüdenberg reingesehen. Dort habe ich nichts zu
> Hysterese gefunden, sondern zu Oberfeldern. Gibt es aber nichts zu
> Hysteresen?

Nein, die Hysterese verändert sich ja auch nicht durch die 
Stromverdrängung bzw. durch das nicht vollständig in den Werkstoff 
eingedrungene Feld. Sie wird einfach nicht mehr voll ausgesteuert, 
ähnlich wie hier dargestellt:

elektroniktutor.de/grundlagen/gr_pict/entmagn.gif

Meine Literaturangabe bezog sich auf Peter R.s Erklärung, zu welcher Du 
explizit eine Literaturstelle suchtest -- zumindest verstand ich Deine 
Frage so.

Im Rüdenberg findest Du die Berechnung der Ersatzzeitkonstanten.

Grüßle,Volker.

: Bearbeitet durch User
von M. S. (perilun)


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Volker B. schrieb:
> Meine Literaturangabe bezog sich auf Peter R.s Erklärung, zu welcher Du
> explizit eine Literaturstelle suchtest -- zumindest verstand ich Deine
> Frage so.

Du hast meine Frage richtig verstanden. Ich habe leider in dem von mir 
genannten Buch aber das von mir gesuchte Thema nicht gefunden. Ich 
möchte nichts berechnen. Ich will nur wissen wie sich die Hysterese mit 
der Änderung der Frequenz verändert.

von Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)


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M. S. schrieb:
>                                                                    Ich
> möchte nichts berechnen. Ich will nur wissen wie sich die Hysterese mit
> der Änderung der Frequenz verändert.

Garnicht, da diese eine Eigenschaft des Kristallgitters ist.
Ausnahme: Dein Werkstoff erhitzt sich durch die Hystereseverluste so 
stark, dass die Curie-Temperatur erreicht wird: Ohne Ferromagnetismus 
keine Hysterese. :-)

Das Bild, auf das ich in meinem vorigen Beitrag verwieß, hast Du aber 
verstanden?


Grüßle,

Volker.

: Bearbeitet durch User
von hinz (Gast)


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von M. S. (perilun)


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von Homo Habilis (Gast)


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M. S. schrieb:
> Danke für den Link, ich will aber nichts berechnen!

Was genau willst Du verstehen? Und/oder wieso genau?

Im Moment weiß scheinbar niemand, wie Dir zu helfen wäre. Und das liegt 
sicher nicht daran, daß keiner will.

von hinz (Gast)


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M. S. schrieb:
> hinz schrieb:
>> http://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?arti...
>
> Danke für den Link, ich will aber nichts berechnen!

Da hats auch Bilder drin...

von M. S. (perilun)


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Homo Habilis schrieb:
> M. S. schrieb:
>> Danke für den Link, ich will aber nichts berechnen!
>
> Was genau willst Du verstehen? Und/oder wieso genau?
>
> Im Moment weiß scheinbar niemand, wie Dir zu helfen wäre. Und das liegt
> sicher nicht daran, daß keiner will.

Konkret:

Ich habe an mit Hilfe eines Aufbaus versucht eine Hysterese zu messen. 
Auf dem Oszilloskop wird die Hysterese mit der Steigung der Frequenz 
zuerst größer und anschliessend wird sie wieder kleiner und verschwindet 
zuletzt fast.

Ich verstehe nicht wieso?

Das sie zuerst größer wird vermute ich aufgrund der 
Ummagnetisierungsverluste.

Ist sie nicht mehr zu sehen aufgrund der Wirbelstromverluste, welche mit 
der höheren Frequenz steigen?

von hinz (Gast)


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M. S. schrieb:
> Ich habe an mit Hilfe eines Aufbaus versucht eine Hysterese zu messen.

Aufbau zeigen.

von Achim S. (Gast)


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M. S. schrieb:
> Konkret:
>
> Ich habe an mit Hilfe eines Aufbaus versucht eine Hysterese zu messen.

Häätest du gleich konkret gesagt, worum es dir geht, dann müsste man 
nicht so viel aneinander vorbei reden.

Du hast noch diesen Messaufbau?
Beitrag "Re: Eigenfrequenz einer Spule ändern"

Wenn du jetzt noch sagen würdest, wie du die Schaltung dimensioniert 
hast und wie dein Eisenkern aussieht (geblecht oder nicht, welche 
Abmessungen), dann ließe sich die Frage vielleicht sogar ganz eindeutig 
beantworten.

Die wahrscheinliche Antwort ist: aufgrund der Abschirmung des inneren 
Teils des Eisenkerns durch die Wirbelströme wird das mittlere B im Eisen 
immer kleiner. Dementsprechend wird auch die induzierte Spannung (~ 
dB/dt) immer kleiner.

von M. S. (perilun)


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Achim S. schrieb:
> M. S. schrieb:
>> Konkret:
>>
>> Ich habe an mit Hilfe eines Aufbaus versucht eine Hysterese zu messen.
>
> Häätest du gleich konkret gesagt, worum es dir geht, dann müsste man
> nicht so viel aneinander vorbei reden.
>
> Du hast noch diesen Messaufbau?
> Beitrag "Re: Eigenfrequenz einer Spule ändern"
>
> Wenn du jetzt noch sagen würdest, wie du die Schaltung dimensioniert
> hast und wie dein Eisenkern aussieht (geblecht oder nicht, welche
> Abmessungen), dann ließe sich die Frage vielleicht sogar ganz eindeutig
> beantworten.
>
> Die wahrscheinliche Antwort ist: aufgrund der Abschirmung des inneren
> Teils des Eisenkerns durch die Wirbelströme wird das mittlere B im Eisen
> immer kleiner. Dementsprechend wird auch die induzierte Spannung (~
> dB/dt) immer kleiner.

Der Aufbau stimmt. Das Problem ist, dass ich unterschiedliche Größe 
verwende was die Dimensionierung angeht. Das Problem ist das selbe.

Der Eisenkern ist ein Massiver Ring aus Stahl, also nicht geblecht.

Ich wollte den Aufbau nicht beschreiben, weil ich dachte, dass es eine 
allgemeine Antwort gibt.

Ich vermute, dass die Hysterese aufgrund der größer werdender 
Hystereverluste größer wird. Anschließend werden ja mit der steigenden 
Frequenz die Ummagnetisierungsverluste von den Wirbelstromverlusten 
domminiert.

Sind dann die Wirbelstromverluste die Verluste, welche durch den Skin 
Effekt entstehen?

: Bearbeitet durch User
von Helmut S. (helmuts)


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Vielleicht taugt ja deine deine Messschaltung nur für tiefe Frequenzen. 
Zeig doch mal deine Messchaltung (Schaltplan).

von M. S. (perilun)


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Helmut S. schrieb:
> Vielleicht taugt ja deine deine Messschaltung nur für tiefe Frequenzen.
> Zeig doch mal deine Messchaltung (Schaltplan).

Gibt es physikalische Gesetze, welche dieses Ergebniss beschreiben und 
nicht von der Messchaltung abhängig. Also allgemein gelten.

Frequenzen, die ich verwende sind 100 bis 10 kHz.

von Achim S. (Gast)


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M. S. schrieb:
> Gibt es physikalische Gesetze, welche dieses Ergebniss beschreiben und
> nicht von der Messchaltung abhängig. Also allgemein gelten.

Ja die allgemeingültigen Gesetze hierfür sind die Maxwellgleichungen mit 
Materie. Das Dumme ist nur, dass von diesen allgemeinen Gesetzen bis zu 
einer konkreten Aussage zu deinen Messergebnissen ein sehr weiter Weg 
ist.

Warum zierst du dich so, mal ein konkretes Beispiel für deine 
Schaltungsdimensionierung zu zeigen und ein dazugehöriges Messergebnis 
vorzustellen. (Der grundsätzliche Schaltplan war ja laut deiner 
Bestätigung noch wie hier gezeigt:

Beitrag "Re: Eigenfrequenz einer Spule ändern"

Wenn man die hätte könnte man wenigstens nachdenken, ob - abgesehen von 
den bereits ausführlich besprochenen Abschirmeffekten der Wirbelströme - 
vielleicht noch ein Dimensionierungsfehler oder Messfehler deinerseits 
zu den beobachteten Ergebnissen führt.

Ein Beispiel gefällig? Nicht nur die Wirbelströme im Eisenkern selbst 
können die mittlere Magnetisierung des Kerns abschwächen. Auch ein 
eventueller Stromfluss in deiner Sekundärspule schwächt den magnetischen 
Fluss im Kern. Wenn du den R an der Sekundärspule falsch dimensionierst, 
dann sorgt der Strom in der Sekundärspule dafür, dass der Kern weniger 
ummagnetisiert wird (und deine Hystereskurve kleiner wird). Das wird mit 
steigender Frequenz kritischer, weil die induzierte Spannung (und der 
Strom über R) mit f ansteigen.

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