هسته های مغناطیسی اجزای اساسی در طیف گسترده ای از دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی ، از ترانسفورماتورهای برق و سلف تا موتورها و سنسورها هستند. در قلب آنها ، این ساختارهای به ظاهر ساده شگفتی های پیچیده ای از علم مواد و الکترومغناطیسی هستند که برای تمرکز کارآمد و هدایت شار مغناطیسی طراحی شده اند. برای درک نحوه کار آنها ، ما باید به اصول مغناطیس و خصوصیات خاص مواد مورد استفاده بپردازیم.
اصول مغناطیسی و نفوذپذیری مغناطیسی
عملکرد یک هسته مغناطیسی به مفهوم وابسته است نفوذپذیری مغناطیسی ( ) ، توانایی یک ماده در حمایت از تشکیل یک میدان مغناطیسی در درون خود. به عبارت ساده تر ، این یک اندازه گیری است که چگونه خطوط مغناطیسی نیرو می توانند از یک ماده عبور کنند. هوا یا خلاء دارای نفوذپذیری مغناطیسی است ( ) تقریباً H/M (هنری در هر متر) ، که به عنوان مرجع عمل می کند.
مواد فرومغناطیسی ، مانند آهن ، نیکل ، کبالت و آلیاژهای آنها ، نفوذپذیری مغناطیسی فوق العاده ای دارند - صدمان تا هزاران برابر بیشتر از هوا. این ویژگی منحصر به فرد از ساختار اتمی آنها ناشی می شود ، به ویژه وجود الکترونهای بدون زوج که به عنوان آهنرباهای ریز عمل می کنند. در این مواد ، تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی خارجی ، این آهنرباهای اتمی (یا دامنه های مغناطیسی ) خود را تراز کنید و میدان مغناطیسی کلی را به طور قابل توجهی تقویت کنید.
هنگامی که یک هادی حامل جریان الکتریکی در اطراف یک ماده اصلی پیچیده می شود ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. اگر این ماده اصلی از نفوذپذیری بالایی برخوردار باشد ، به طور موثری "جمع می شود" و این خطوط میدان مغناطیسی را متمرکز می کند و آنها را از طریق بدن خود هدایت می کند. این غلظت شار عملکرد اصلی یک هسته مغناطیسی است.
توابع و برنامه های کلیدی
توانایی هسته های مغناطیسی برای تمرکز شار مغناطیسی چندین عملکرد مهم را امکان پذیر می کند:
-
افزایش القا: در سلف ، سیم پیچ سیم یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. بدون هسته ، القاء (توانایی ذخیره انرژی در یک میدان مغناطیسی) نسبتاً کم است. معرفی یک هسته مغناطیسی با نفوذ بالا به طور چشمگیری باعث افزایش القای سیم پیچ می شود و به آن اجازه می دهد انرژی بیشتری را ذخیره کند و در فیلتر ، تنظیم و ذخیره انرژی مؤثرتر شود. القاء ( ) یک سیم پیچ با یک هسته به طور مستقیم با نفوذپذیری هسته و مربع تعداد چرخش ها متناسب است و معکوس متناسب با طول مسیر مغناطیسی است.
-
انتقال انرژی کارآمد (ترانسفورماتور): در یک ترانسفورماتور ، دو یا چند سیم پیچ در اطراف یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شده است. هنگامی که یک جریان متناوب از طریق سیم پیچ اصلی جریان می یابد ، یک میدان مغناطیسی در حال تغییر ایجاد می کند که از طریق هسته با نفوذ بالا هدایت می شود. این شار مغناطیسی در حال تغییر ولتاژ در سیم پیچ ثانویه ایجاد می کند و امکان انتقال کارآمد انرژی الکتریکی بین مدارها را فراهم می کند ، با سطح ولتاژ بالا یا پایین می رود. هسته به حداقل می رسد شار (خطوط میدان مغناطیسی که هر دو سیم پیچ را پیوند نمی دهند) ، در نتیجه بهره وری اتصال را به حداکثر می رسانند.
-
بهبود اتصال مغناطیسی (موتورها و ژنراتورها): در موتورها و ژنراتورها ، هسته های مغناطیسی بخشی از استاتور و روتور را تشکیل می دهند و زمینه های مغناطیسی را که گشتاور تولید می کنند یا برق تولید می کنند ، هدایت می کنند. هسته تضمین می کند که خطوط میدان مغناطیسی به طور مؤثر بین قطعات ثابت و چرخان تعامل دارند و منجر به تبدیل انرژی کارآمد می شوند.
انواع هسته های مغناطیسی و خصوصیات آنها
انتخاب مواد هسته مغناطیسی بسیار مهم است و به کاربرد مورد نظر ، به ویژه فرکانس عملیاتی و سطح قدرت بستگی دارد.
-
هسته های آهنی نرم: اینها از ساده ترین و قدیمی ترین انواع هسته های مغناطیسی هستند. از آهن نرم به دلیل نفوذپذیری نسبتاً زیاد و کم استفاده می شود پایداری (توانایی آن در حفظ مغناطیس پس از حذف میدان خارجی). آنها معمولاً در الکترومغناطیسی یافت می شوند که در آن یک میدان مغناطیسی قوی و موقت مورد نیاز است.
-
هسته های فولادی سیلیکون (لمینت ها): برای برنامه های AC مانند ترانسفورماتورهای برق ، فولاد ماده انتخابی است. افزودن سیلیکون (به طور معمول 0.5 ٪ تا 4.5 ٪) مقاومت را افزایش داده و کاهش می دهد ضررهای اصلی ، به طور خاص ضررهای فعلی ادی بشر برای کاهش بیشتر جریانهای گردو ، که در حال گردش جریان های ناشی از هسته در حال تغییر میدان مغناطیسی هستند ، این هسته ها از ورق های نازک ساخته می شوند لمینت که از یکدیگر عایق بندی شده اند. این مسیرهای جریان گرداب را شکسته و آنها را به حلقه های کوچکتر وادار می کند و میزان قابل توجهی را کاهش می دهد. ضرر هیسترزیس ، نوع دیگری از از دست دادن هسته ناشی از انرژی مورد نیاز برای مکرر مغناطیس و عواملی کردن هسته ، در انتخاب مواد نیز در نظر گرفته شده است. فولاد سیلیکون دارای یک حلقه هیسترزیس نسبتاً باریک است که نشانگر کاهش انرژی در هر چرخه است.
-
هسته های فریت: فریت ها ترکیبات سرامیکی هستند که در درجه اول از اکسیدهای آهن مخلوط شده با سایر عناصر فلزی (به عنوان مثال ، نیکل ، روی ، منگنز) تشکیل شده اند. برخلاف هسته های فلزی ، فریت ها هستند عایق ، این بدان معنی است که آنها مقاومت بسیار بالایی دارند. این خاصیت آنها را برای ایده آل می کند برنامه های با فرکانس بالا (Kilohertz to Gigahertz Range) که در آن ضررهای فعلی گرد و غبار در هسته های فلزی ممنوع است. فریت ها به طبقه بندی می شوند:
-
فریت های نرم: در برنامه هایی مانند ترانسفورماتورهای RF ، سلف و سرکوب EMI استفاده می شود. آنها از فشار کم (به راحتی مغناطیس و دچار عواقب) و ضررهای نسبتاً کم در فرکانس های زیاد برخوردار هستند.
-
فریت های سخت: برای آهنرباهای دائمی به دلیل فشار زیاد و مقاومت در برابر آنها استفاده می شود.
-
-
هسته های permalloy: اینها آلیاژهای نیکل آهن هستند که به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بسیار بالا و فشار کم ، به ویژه در نقاط قوت میدان مغناطیسی شناخته شده اند. آنها اغلب در سنسورهای حساس مغناطیسی ، محافظ مغناطیسی و ترانسفورماتورهای صوتی با کیفیت بالا که در آن به عملکرد دقیق مغناطیسی مورد نیاز است ، استفاده می شوند.
-
هسته های آمورف و نانوکریستالی: اینها کلاسهای جدیدتری از مواد تشکیل شده توسط خنک کننده سریع فلز مذاب و جلوگیری از تشکیل ساختار کریستالی است. آنها خواص مغناطیسی بسیار خوبی را ارائه می دهند ، از جمله نفوذپذیری بسیار بالا ، تلفات هسته کم و چگالی شار اشباع بالا ، و آنها را برای الکترونیک با قدرت با فرکانس بالا و اجزای القایی پیشرفته مناسب می کند.
ضررهای اصلی: یک توجه عملی
در حالی که هسته های مغناطیسی باعث افزایش عملکرد می شوند ، اما بی ضرر نیستند. انواع اصلی تلفات در هسته های مغناطیسی در شرایط جریان متناوب عبارتند از:
-
از دست دادن هیسترزیس: همانطور که گفته شد ، این انرژی است که به عنوان گرما از بین می رود وقتی که دامنه های مغناطیسی موجود در مواد هسته به طور مکرر خود را در طول هر چرخه مغناطیس و عواملی سازی مجدد تغییر می دهند. متناسب با منطقه حلقه هیسترزیس مواد است.
-
ضرر فعلی ادی: اینها تلفات مقاومت ناشی از جریانهای گردش ناخواسته ناشی از خود مواد هسته ای توسط تغییر میدان مغناطیسی است. آنها با استفاده از هسته های چند لایه یا مواد با مقاومت بالا مانند فریت به حداقل می رسند.
مهندسان برای به حداقل رساندن این تلفات ، مواد و طرح های اصلی را انتخاب می کنند و از بالاترین بهره وری ممکن برای کاربرد خاص اطمینان می دهند.
هسته های مغناطیسی مؤلفه های ضروری هستند که از اصول الکترومغناطیسی و علم مواد برای کنترل و بهینه سازی میدان های مغناطیسی استفاده می کنند. توانایی آنها در تمرکز شار ، کاهش تلفات و فعال کردن انتقال انرژی کارآمد باعث می شود آنها برای عملکرد سیستم های بی شماری الکترونیکی و الکتریکی که به دنیای مدرن ما قدرت می دهند ، بسیار مهم باشد. درک عملکرد اساسی آنها و خصوصیات مواد اصلی مختلف برای هر کسی که با مدارهای الکتریکی کار یا طراحی کند ضروری است. $ $