Bütün elektrik makineleri manyetik alanlar sayesinde enerji dönüşümü yapmaktadır. Hatırlanacak olursa, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektrik makineleri, motor ve mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren elektrik makineleri ise jeneratör olarak adlandırılmaktaydı.
Motorların girişindeki elektrik enerjisi, çıkıştaki mekanik enerjinin yanı sıra elektrik ve manyetik alanda depolanan enerji ve ısıya dönüşen enerjiye harcanır. Jeneratörlerde ise girişteki mekanik enerji, çıkıştaki elektrik enerjisinin yanı sıra elektrik ve manyetik alanda depolanan enerji ve ısıya dönüşen enerjiye harcanır. Her iki sistemde de bahsi geçen ısıya dönüşen bu enerji, sürtünme ve vantilasyon kayıplarının yanı sıra bakır ve demir kayıplarını içermektedir.
Bu yazıda da elektrik makinelerinde demir kayıplarının neler olduğundan ve nasıl oluştuğundan bahsedilecektir.
Elektrik makinelerinde ortaya çıkan bu demir kayıpları Foucault (Eddy/Girdap) kayıpları ve Histerisis kayıplarıdır.
Elektrik makinelerinde manyetik malzemeler, manyetik akıyı iyi iletebilmek için kullanılmaktadır. Bu manyetik malzemeler içerisinde bulunan manyetik dipolleri yönlendirmek için manyetik alan kuvveti, dipollere bir tork uygulamaktadır.
Manyetik malzemelerin yapısındaki benzer manyetik yönelme özelliğine sahip olan atomların diğer komşu atomlarla birlikte oluşturdukları yapıya manyetik domein adı verilmektedir.
Demir içerisinde bulunan bu domeinleri yönlendirebilmek için ise bir enerji harcanması gerekmekte ve bunun sonucunda makinedeki demir kayıpları oluşmaktadır.
Histerisis Kayıpları
Şimdi elektrik makinelerindeki demir kayıplarının bir bileşeni olan Histerisis kayıplarını açıklamaya çalışalım:
Şekilde, toroid yapıdaki bir nüvenin üzerine N sarım sayılı bir sargı sarılmıştır. Bu sargıya 1-5 Hz gibi küçük frekanslı sinüsoidal akım uygulandığını varsayalım. Yani dışarıdaki iki uç arasına bir sinüsoidal gerilim kaynağı bağlandığını düşünelim. Bu durumda, sargılardan bir i(t) akımı akmaya başlayacaktır. Akım, manyetik alan üretecektir ve bu manyetik alan, değişken bir manyetik akı yoğunluğu oluşturacaktır. Yani, sinüsoidal akımın her bir saykılında yön değiştirmesi ile manyetik akının yönü de değişecektir. Bunu şekilde noktalı alanda ilerleyen bir akı olarak düşünürsek, yönünün sağ el kuralı ile tayin edilebileceğini de söyleyebiliriz.
Alternatif akım değişirken manyetik nüvenin bir bölgesinin önce N kutbu ve ardından da S kutbu olacak şekilde mıknatıslanması anlamına gelmektedir. Bu yönlenme esnasında domein duvarlarında sürtünmeler oluşmakta ve manyetik nüve ısınmaktadır. Bu ısı ile ortaya çıkan kayıp ise Histerisis kaybı olarak adlandırılmaktadır.
Histerisis Çevrimi
Dilerseniz bu noktada Histerisis çevriminden de söz edelim:
Histerisis kaybının nasıl oluştuğu yukarıda açıklanmaya çalışılmıştı. Alternatif akımın yükselen kenarı sırasında nüvede aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi a-b yönünde bir mıknatıslanma meydana gelmektedir. H değeri artarken B değeri de artmaktadır. Ancak tüm manyetik domeinler yönlendikten sonra yani malzeme içerisinde yönlenecek yeni domeinler kalmadığında manyetik malzeme doyacaktır ve bundan sonra akı çizgisi sayısında artış olmayacaktır.
Alternatif akım sıfır olduğunda H değeri de sıfır olacaktır ancak bu durumda bile malzeme içerisinde bazı domeinler yönlenmiş kalabilmektedir. Bu durumda malzeme az da olsa mıknatıs etkisine sahip olmaktadır (b-c eğrisi). Bu geriye kalan akı yoğunluğuna ise 
remenans akı yoğunluğu denilmektedir. Bu değer şekildeki c noktasındaki değer olarak düşünülebilir. Bundan sonra alternatif akım yön değiştirdiğinde mıknatıslanma eğrisinin yönü de değişmektedir. Bu durumda öncelikle birikmiş bu akı yoğunluğu değerini yani remenans değerini silmek gerekmektedir. Bunu yapabilmek için ise – kadar manyetik alana ihtiyaç vardır. Bu değer ise şekildeki açık mavi eğri ile H doğrusunun kesiştiği nokta olarak düşünülebilir. Bu birikmiş akı yoğunluğu değeri gittikten sonra ise eğride c-d yönünde değişim oluşacaktır. Alternatif alan tekrardan sıfıra yaklaşırken ise eğri d-e değişimini yaşayacaktır.
Foucault Kayıpları
Elektrik makineleri içerisinde kullanılan manyetik malzemeler, manyetik akıyı iyi iletebilmek için kullanılmaktadır. Bu demir alaşımlı malzemelerin bazısı daha iyi bir iletken iken bazısı ise daha az iletkendir. Bu malzemelerin, Faraday Yasası gereği, değişken bir akı içerisinde bulunması halinde ise malzemelerin içerisinde yerel gerilimler indüklenmektedir. Bu gerilimler birbiri ile seri bağlanarak girdap şeklinde akımların akmasına neden olmaktadır. Bu da manyetik malzemeyi ısıtmaktadır. İşte demirde oluşan bu kayıplara da Foucault kayıpları ya da Eddy (girdap) kayıpları denmektedir.
Girdap akımları omik özelliğe sahip demir gibi malzemeler içerisinde ilerlerler ve bunun sonucunda formülünden de görüleceği gibi nüveyi ısıtırlar. Bu ortaya çıkan ısı yani kaybolan enerji miktarı, akımların nüve içindeki yollarının boyutları ile de ilişkilidir. Bu durum bilindiği için de ferromanyetik nüve, bir yüzü silikon ile yalıtılmış çok ince levhalardan oluşturulması yöntemi kullanılmaktadır. Yani Foucault kayıplarını azaltmak için ya demir malzemeye karbon- silikon katılarak malzemenin direnci büyütülür ve bu yolla girdap akımlarını azaltmak ya da demir nüveleri som yapıda değil, yüzeyleri birbirine emaye, oksitleme, lak veya inorganik kaplamalar ile yalıtılmış çelik saclardan oluşturmak tercih edilebilmektedir. Bu lamisyon olarak adlandırılan yapı ile birlikte lamisyon kalınlığının küçültülmesi bu kayıpları azaltmaktadır.
Mühendislik kategorisindeki diğer makalelerimizi de okumanızı tavsiye ederiz!
