Kernverlust

Eisenverluste sind die Energiemenge, die als Wärme im magnetischen Kern eines elektrischen Geräts verloren geht, unabhängig davon, ob das Gerät belastet ist oder im Leerlauf läuft. Sie treten in Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren, Drosseln und allen Geräten mit Eisen- oder Ferritkern auf, die von Wechselmagnetfluss durchsetzt werden. Dieser Verlust entsteht auch dann, wenn durch die Wicklung kein elektrischer Strom fließt, weshalb er sich von Kupferverlusten oder I-Quadrat-R-Verlusten in den Leitern selbst unterscheidet.

Eisenverluste haben zwei Hauptkomponenten. Hystereseverluste entstehen dadurch, dass sich das magnetische Material bei Feldumkehrung nicht sofort zur Nullmagnetisierung zurückzieht; Energie wird benötigt, um das Material entlang seiner Magnetisierungskurve zu verschieben, und diese Energie wird in Wärme umgewandelt. Wirbelstromverluste entstehen dadurch, dass der sich ändernde Magnetfluss kleine kreisförmige Strömungen im Kernmaterial selbst induziert, und diese Strömungen erzeugen Wärmeverluste im Widerstand des Eisens oder Ferrits. Bei höheren Frequenzen dominieren Wirbelströme; bei niedrigeren Frequenzen trägt üblicherweise die Hysterese mehr bei.

Messung und Reduzierung von Eisenverlusten

Eisenverluste werden in Watt pro Kilogramm oder Watt pro Kubikmeter Kernmaterial gemessen und steigen grob mit dem Quadrat der Magnetflußdichte und der Betriebsfrequenz. Ein 50-Hz-Transformator-Kern verliert weniger als ein 400-Hz-Kern aus gleichem Material bei gleicher Flußdichte. Hersteller verringern Eisenverluste durch Einsatz hochpermeabler Materialien mit niedriger Koerzitivität, Schichtung des Kerns (Stapeln dünner, durch Isolation getrennter Bleche zur Blockade von Wirbelströmen), Wärmebehandlung zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften und Kontrolle der Flußdichte durch Kerngeometrie und Wicklungsauslegung.

Eisenverluste sind lastunabhängig und stellen daher einen festen Effizienzmalus dar. Bei einem großen Transformator mit 10 MVA Nennleistung können Eisenverluste 15 bis 20 kW ständig verbrauchen, was sich über die Lebensdauer des Geräts in den Betriebskosten niederschlägt. In rotierenden Maschinen erzeugen Eisenverluste Wärme, die durch Kühlkanäle oder Lüfterzirkulation abgeführt werden muß. Schlechte Kernschichtung, Überflußung durch Überspannung oder Beschädigungen der Isolation zwischen Blechen können Eisenverluste deutlich über die Nennwerte hinaus anheben.

Der Begriff bezieht sich auf den Ort des Verlusts, nicht auf seine Ursache. Der Kern ist der magnetische Weg, typischerweise Eisen oder Siliziumstahl in Energiegeräten oder Nickel-Eisen in Präzisions-Drosseln. Das Verständnis von Eisenverlusten ist wichtig beim Vergleich von Transformatorwirkungsgraden, bei der Festlegung von Geräusch- und Wärmespezifikationen für Motoren oder bei der Materialwahl für Hochfrequenz-Stromwandlerschaltungen, wo Wirbelstromverluste dominierend werden können.