การสูญเสียทางแม่เหล็ก (Magnetic Losses) คืออะไร?

การสูญเสียทางแม่เหล็ก (Magnetic Losses) คือพลังงานที่สูญเสียไปภายในวัสดุแม่เหล็กเมื่อวัสดุนั้นอยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา แกนหม้อแปลง ขดลวดเหนี่ยวนำ หรือสเตเตอร์ของเครื่องจักรไฟฟ้าใด ๆ จะเปลี่ยนพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนหนึ่งที่ไหลผ่านให้กลายเป็นความร้อน ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงและจำเป็นต้องมี การจัดการความร้อน (Thermal Management) การสูญเสียเหล่านี้เป็นประเด็นสำคัญในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การออกแบบเครื่องจักรไฟฟ้า และระบบแม่เหล็กความถี่สูง เนื่องจากความถี่ในการทำงาน ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก และโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ ล้วนมีปฏิสัมพันธ์กันในการกำหนดปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปในแต่ละรอบการทำงาน

พลังงานรวมที่สูญเสียไปในแกนแม่เหล็กมักเรียกว่า การสูญเสียในแกนแม่เหล็ก (Core Loss) ซึ่งโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสององค์ประกอบหลัก ได้แก่ การสูญเสียจากฮิสเทอรีซิส (Hysteresis Loss) และการสูญเสียจากกระแสไหลวน (Eddy-Current Loss) นอกจากนี้ ยังมีองค์ประกอบที่สาม คือ การสูญเสียส่วนเกินหรือการสูญเสียผิดปกติ (Excess or Anomalous Loss) ซึ่งใช้อธิบายความแตกต่างระหว่างค่าที่คาดการณ์จากทฤษฎีแบบดั้งเดิมกับค่าที่วัดได้จริง โดยเฉพาะในโลหะผสมเฟอร์โรแมกเนติกชนิดอ่อน

กระแสไหลวน (Eddy Currents)

กระแสไหลวน (Eddy Currents) คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลวนเป็นวงภายในวัสดุแม่เหล็กที่นำไฟฟ้า โดยเกิดจากการเหนี่ยวนำตามกฎของฟาราเดย์ (Faraday's Law of Induction) เมื่อความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตามเวลา เนื่องจากวัสดุมีค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะจำกัด กระแสเหล่านี้จึงทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนจากความต้านทาน การสูญเสียจากกระแสไหลวนแปรผันตามกำลังสองของทั้งความถี่และความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุด ทำให้กลไกการสูญเสียนี้มีบทบาทเด่นที่สุดเมื่อใช้งานที่ความถี่สูงขึ้น กลยุทธ์มาตรฐานในการลดการสูญเสียคือการใช้แกนลามิเนต (Lamination) โดยแบ่งแกนแม่เหล็กออกเป็นแผ่นบาง ๆ ที่คั่นระหว่างกันด้วยชั้นฉนวน ซึ่งช่วยจำกัดการไหลวนของกระแสให้อยู่ภายในพื้นที่หน้าตัดที่เล็กลง ลดขนาดของกระแสเหนี่ยวนำ และลดการสูญเสียตามไปด้วย แกนเฟอร์ไรต์ (Ferrite Cores) ซึ่งมีค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะสูงกว่าเหล็กซิลิคอนมาก จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้กับความถี่สูงกว่าประมาณ 100 kHz เนื่องจากโครงสร้างเซรามิกที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงฉนวนช่วยยับยั้งเส้นทางการไหลของกระแสไหลวนได้เกือบทั้งหมด บทความ การทบทวนแบบจำลองการสูญเสียกำลังในแกนแม่เหล็กที่เผยแพร่บน PMC ได้สำรวจแบบจำลองดั้งเดิมสำหรับการสูญเสียจากกระแสไหลวน รวมถึงข้อจำกัดของแบบจำลองเหล่านี้เมื่อใช้กับรูปคลื่นฟลักซ์ที่ไม่ใช่รูปคลื่นไซน์ ซึ่งพบได้ทั่วไปในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (Switched-Mode Power Supplies)

การสูญเสียจากฮิสเทอรีซิส (Hysteresis Loss)

การสูญเสียจากฮิสเทอรีซิส (Hysteresis Loss) เกิดจากพลังงานที่จำเป็นต่อการกลับทิศทางการจัดเรียงตัวของโดเมนแม่เหล็ก (Magnetic Domains) ภายในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกอย่างเป็นวัฏจักร ทุกครั้งที่สนามแม่เหล็กที่ป้อนเข้าเปลี่ยนทิศทาง ผนังโดเมนแม่เหล็ก (Domain Walls) จะต้องเคลื่อนที่ผ่านตำแหน่งยึดเหนี่ยวภายในโครงสร้างผลึกของวัสดุ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานซึ่งแปรผันตามพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยวงฮิสเทอรีซิส B-H การสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสแปรผันตรงกับความถี่และขึ้นอยู่กับการเลือกใช้วัสดุแกนแม่เหล็ก โดยเหล็กซิลิคอนชนิดเกรนเรียงตัว (Grain-Oriented Silicon Steel) แถบโลหะอสัณฐาน (Amorphous Ribbons) และโลหะผสมนาโนคริสตัลไลน์ (Nanocrystalline Alloys) ล้วนได้รับการพัฒนาเพื่อลดค่าแรงบังคับแม่เหล็ก (Coercivity) และพื้นที่วงฮิสเทอรีซิส พร้อมทั้งรักษาความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัวให้อยู่ในระดับสูง Charles Proteus Steinmetz ได้กำหนดความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ในรูปแบบกฎกำลัง (Power-Law Relationship) ในปี 1892 เพื่ออธิบายการสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสในรูปของฟังก์ชันความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงสุด และสมการ Steinmetz รวมถึงรูปแบบที่ได้รับการพัฒนาต่อยอดในปัจจุบัน ยังคงเป็นเครื่องมือมาตรฐานสำหรับการประมาณค่าการสูญเสียในแกนแม่เหล็ก งานวิจัย วิธีการประมาณค่าการสูญเสียในแกนแม่เหล็กโดยใช้สมการ Steinmetz ที่ปรับปรุงแล้ว ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร AIP Advances แสดงให้เห็นว่ารูปคลื่นสามเหลี่ยมแบบไม่สมมาตร ซึ่งเกิดจากอินเวอร์เตอร์ มีความแตกต่างจากแบบจำลองดั้งเดิมอย่างไร และจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์เพื่อให้สามารถคาดการณ์ได้อย่างแม่นยำ

การวัดการสูญเสีย (Loss Measurement)

การแยกองค์ประกอบและการวัดค่าการสูญเสียทางแม่เหล็กอย่างแม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุและการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองการจำลอง วิธีการใช้ขดลวดสองชุด (Two-Winding Method) ใช้วัดการสูญเสียรวมในแกนแม่เหล็กโดยจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ทราบค่าให้กับขดลวดปฐมภูมิ และวัดองค์ประกอบของกระแสที่อยู่ในเฟสเดียวกับแรงดันไฟฟ้า จากนั้นนำค่าการสูญเสียทองแดงในขดลวดมาหักออกเพื่อให้ได้ค่าการสูญเสียในแกนแม่เหล็ก งานวิจัยเรื่อง การแยกองค์ประกอบการสูญเสียในแกนแม่เหล็กของหม้อแปลงระบบจำหน่าย โดยใช้การวิเคราะห์ฮาร์มอนิก นำเสนอวิธีการแยกองค์ประกอบการสูญเสียจากฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวนจากการวัดแบบกวาดความถี่ (Frequency Sweep) โดยไม่จำเป็นต้องใช้เทคนิคการแยกองค์ประกอบด้วยวิธีไครโอเจนิก

การประยุกต์ใช้งาน (Applications)

การสูญเสียทางแม่เหล็กเป็นข้อจำกัดหลักในการออกแบบระบบต่อไปนี้:

• หม้อแปลงกำลัง (Power Transformers) และอุปกรณ์ระบบจำหน่ายไฟฟ้า ซึ่งการสูญเสียในแกนแม่เหล็กเป็นตัวกำหนดค่าพิกัดประสิทธิภาพขณะไม่มีโหลด
• ตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลงใน แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (Switched-Mode Power Supply) ที่ทำงานในช่วงความถี่ตั้งแต่หลายสิบกิโลเฮิรตซ์ไปจนถึงหลายเมกะเฮิรตซ์
• สเตเตอร์ของมอเตอร์ไฟฟ้าและแผ่นลามิเนตของโรเตอร์ในระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
• ขดลวดสำหรับ การส่งผ่านพลังงานแบบไร้สาย (Wireless Power Transfer) ซึ่งการกระตุ้นด้วยความถี่สูงจำเป็นต้องใช้แกนเฟอร์ไรต์หรือนาโนคริสตัลไลน์ที่มีการสูญเสียต่ำ
• วัสดุสำหรับ การกำบังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Shielding) ซึ่งมีการใช้การสูญเสียที่ควบคุมได้เพื่อดูดซับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ แทนที่จะสะท้อนสนามดังกล่าว