Senz Magnet - الشركة المصنعة للمواد الدائمة العالمية & المورد أكثر من 20 سنة.
هياكل الدوائر المغناطيسية الشائعة
تُعد الدوائر المغناطيسية أساسية في مختلف الأجهزة الكهربائية والإلكترونية، من المحولات والمحاثات إلى المحركات والمولدات. يُعد فهم هياكل الدوائر المغناطيسية الشائعة أمرًا بالغ الأهمية للمهندسين والعلماء المشاركين في تصميم هذه الأجهزة وتحليلها وتحسينها. تقدم هذه المقالة استكشافًا متعمقًا لهياكل الدوائر المغناطيسية الشائعة، بما في ذلك مكوناتها الأساسية ومبادئ عملها وتطبيقاتها. وتغطي الدوائر المغناطيسية البسيطة والمركبة، بالإضافة إلى بعض تصاميم الدوائر المغناطيسية ذات الأغراض الخاصة.
1. المقدمة
الدوائر المغناطيسية تُشبه الدوائر الكهربائية، ولكنها لا تتعامل مع تدفق التيار الكهربائي، بل مع تدفق الفيض المغناطيسي. تُساعد دراسة الدوائر المغناطيسية على فهم كيفية توزيع المجالات المغناطيسية والتحكم فيها ضمن مادة مغناطيسية معينة وتكوين فجوة هوائية. تُصمم هياكل الدوائر المغناطيسية الشائعة لتحقيق خصائص محددة للمجال المغناطيسي، مثل كثافة تدفق مغناطيسي عالية، وتسرب مغناطيسي منخفض، ونقل فعال للطاقة.
2. المكونات الأساسية للدوائر المغناطيسية
2.1 النواة المغناطيسية
النواة المغناطيسية هي الجزء الرئيسي من الدائرة المغناطيسية، وهي توفر مسارًا منخفض الممانعة للتدفق المغناطيسي. تُصنع عادةً من مواد حديدية مغناطيسية مثل الحديد أو الفولاذ أو الفريت. تتميز المواد الحديدية المغناطيسية بنفاذية مغناطيسية عالية، مما يعني سهولة مغنطتها وإزالة مغنطتها. يتنوع شكل النواة المغناطيسية بشكل كبير، بما في ذلك الأشكال الأسطوانية والمستطيلة والحلقية.
- النواة الأسطوانية : تُستخدم غالبًا في الملفات اللولبية وبعض أنواع المحاثات. تُوفر مسارًا مغناطيسيًا بسيطًا ومتماثلًا نسبيًا. على سبيل المثال، في ملف لولبي بسيط، يُوضع قلب أسطواني داخل ملف سلكي. عندما يتدفق تيار كهربائي عبر الملف، يتولد مجال مغناطيسي، ويتركز التدفق المغناطيسي داخل القلب الأسطواني.
- القلب المستطيل : يُستخدم عادةً في المحولات وبعض المستشعرات المغناطيسية. يسمح الشكل المستطيل بسهولة تكديس الصفائح لتقليل خسائر التيارات الدوامية. تُصنع الصفائح عن طريق تكديس صفائح رقيقة من مادة مغناطيسية مع طبقة عازلة بينها. يقطع هذا الهيكل مسارات التيارات الدوامية، مما يقلل من خسائر الطاقة الناتجة عنها.
- النواة الحلقية : النواة الحلقية هي نواة مغناطيسية على شكل دونات. تتميز بانخفاض التسرب المغناطيسي، إذ يُحتوى التدفق المغناطيسي بالكامل داخل النواة. تُستخدم النوى الحلقية على نطاق واسع في المحاثات والمحولات عالية الأداء، وخاصةً في التطبيقات التي تتطلب تداخلًا كهرومغناطيسيًا منخفضًا.
2.2 الملف (اللفات)
الملف، المعروف أيضًا باللفائف، جزء أساسي من الدائرة المغناطيسية. يتكون من عدد من لفات الأسلاك الملفوفة حول النواة المغناطيسية. عندما يمر تيار كهربائي عبر الملف، فإنه يولد قوة دافعة مغناطيسية (MMF)، وهي مماثلة للقوة الدافعة الكهربائية (EMF) في الدائرة الكهربائية. تُعطى هذه القوة بالصيغة حيث هو عدد دورات الملف و هو التيار المتدفق عبر الملف.
- اللفائف أحادية الطبقة : في هذه اللفائف، يُلف السلك حول القلب في طبقة واحدة. هذا النوع من اللفائف سهل التركيب، ولكنه قد يحتوي على مُحاثة تسريب كبيرة نسبيًا.
- اللفائف متعددة الطبقات : تُستخدم اللفائف متعددة الطبقات لزيادة عدد اللفات في مساحة محدودة. يمكن لفها بأنماط مختلفة، مثل اللفائف الحلزونية أو السلة. تُقلل اللفائف متعددة الطبقات من محاثة التسرب وتزيد من محاثة الملف، ولكنها قد تُضيف أيضًا سعة إضافية بين الطبقات.
2.3 فجوة الهواء
الفجوة الهوائية هي منطقة غير مغناطيسية في الدائرة المغناطيسية. غالبًا ما تُضاف عمدًا إلى الدوائر المغناطيسية لأسباب مختلفة، مثل التحكم في كثافة التدفق المغناطيسي، أو توفير خلوص ميكانيكي، أو السماح بحركة المكونات. يزيد وجود فجوة هوائية من ممانعة الدائرة المغناطيسية، لأن نفاذية الهواء المغناطيسية أقل بكثير من المواد المغناطيسية الحديدية.
3. هياكل الدوائر المغناطيسية البسيطة
3.1 الدائرة المغناطيسية للملف اللولبي
الملف اللولبي هو دائرة مغناطيسية بسيطة تتكون من قلب أسطواني وملف سلكي ملفوف حوله. عند مرور تيار مستمر (DC) أو تيار متردد (AC) عبر الملف، يتولد مجال مغناطيسي على طول محور الملف اللولبي.
- ملف لولبي للتيار المستمر : في ملف لولبي للتيار المستمر، يكون المجال المغناطيسي ثابتًا طالما أن التيار ثابت. يمكن تقريب كثافة التدفق المغناطيسي داخل الملف اللولبي بالصيغة ، حيث هي نفاذية الفراغ ( )، و هي النفاذية النسبية لمادة القلب، هو عدد اللفات لكل وحدة طول، و هو التيار. تُستخدم ملفات التيار اللولبي للتيار المستمر بشكل شائع في المرحلات والصمامات والمشغلات.
- الملف اللولبي للتيار المتردد : في الملف اللولبي للتيار المتردد، يتغير التيار والمجال المغناطيسي جيبيًا مع الزمن. ويلعب محاثة الملف اللولبي دورًا هامًا في تحديد العلاقة بين التيار والجهد. تُستخدم الملفات اللولبية للتيار المتردد في التطبيقات التي تتطلب تشغيل وإيقاف المجال المغناطيسي بسرعة، كما هو الحال في بعض أنواع المحركات والمفاتيح الكهربائية.
3.2 الدائرة المغناطيسية للمحث الحلقي
المحث الحلقي هو دائرة مغناطيسية ذات قلب حلقي ولفائف ملفوفة حوله. يضمن الشكل الحلقي حصر التدفق المغناطيسي داخل القلب، مما يُقلل التسرب المغناطيسي.
يمكن حساب المحاثة للمحث الحلقي باستخدام الصيغة ، حيث هو عدد اللفات، و هي مساحة المقطع العرضي للقلب، و هو متوسط نصف قطر الحلقة. تُستخدم المحاثات الحلقية على نطاق واسع في تطبيقات التردد العالي، مثل دوائر التردد اللاسلكي (RF) وإمدادات الطاقة، نظرًا لانخفاض خصائص التداخل الكهرومغناطيسي لديها.
4. هياكل الدوائر المغناطيسية المركبة
4.1 الدائرة المغناطيسية للمحول
المحول هو دائرة مغناطيسية مركبة تتكون من ملفين أو أكثر (ابتدائي وثانوي) ملفوفين حول قلب مغناطيسي مشترك. يتصل الملف الابتدائي بمصدر طاقة تيار متردد، مما يولّد تدفقًا مغناطيسيًا متناوبًا في القلب. يرتبط هذا التدفق المغناطيسي بالملف الثانوي، مما يُحفّز جهدًا متناوبًا في الملف الثانوي وفقًا لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي.
- المحولات ذات القلب : في هذا النوع من المحولات، توضع اللفات على أطراف القلب. يتدفق التدفق المغناطيسي عبر القلب ويتصل باللفات الأولية والثانوية. تُستخدم المحولات ذات القلب على نطاق واسع في أنظمة توزيع ونقل الطاقة نظرًا لبساطة تركيبها وكفاءتها العالية.
- محولات الغلاف : في هذا النوع من المحولات، تُحيط اللفات بالجزء المركزي من القلب. يوفر هذا الهيكل حماية مغناطيسية أفضل، ويُقلل من تسرب التدفق بين اللفات الأولية والثانوية. تُستخدم محولات الغلاف عادةً في التطبيقات منخفضة الطاقة، مثل الأجهزة الإلكترونية ومعدات الصوت.
4.2 الدائرة المغناطيسية لمحرك الممانعة
محرك الممانعة هو نوع من المحركات الكهربائية يعمل بمبدأ الممانعة المغناطيسية. تتكون الدائرة المغناطيسية لمحرك الممانعة من عضو ثابت ذي أقطاب بارزة وعضو دوار ذي أقطاب بارزة. تُثار أقطاب العضو الثابت بمجال مغناطيسي، ويحاول العضو الدوار مواءمتها مع أقطاب العضو الثابت لتقليل الممانعة المغناطيسية للدائرة.
يُعطى عزم الدوران في محرك الممانعة بالصيغة ، حيث هو التيار المار في لفات الجزء الثابت، هو محاثة المحرك، و هو الموضع الزاوي للدوار. تتميز محركات الممانعة بسهولة تركيبها وموثوقيتها العالية، وتُستخدم في تطبيقات مثل المراوح والمضخات وبعض المحركات الصناعية.
5. هياكل الدوائر المغناطيسية ذات الأغراض الخاصة
5.1 الدائرة المغناطيسية للمضخم المغناطيسي
المُضخِّم المغناطيسي هو جهاز يستخدم الخواص المغناطيسية غير الخطية للنواة المغناطيسية لتضخيم الإشارة الكهربائية. تتكون الدائرة المغناطيسية للمُضخِّم المغناطيسي عادةً من نواة ذات لفات متعددة، بما في ذلك لف التحكم ولف الإخراج.
بتطبيق تيار تحكم على ملف التحكم، تتغير النفاذية المغناطيسية للقلب، مما يؤثر بدوره على التدفق المغناطيسي والجهد المُستحث في ملف الخرج. استُخدمت المُضخِّمات المغناطيسية على نطاق واسع في الماضي لتضخيم الإشارات والتحكم فيها في تطبيقات مثل مصادر الطاقة وأنظمة التحكم في المحركات. ورغم استبدالها بشكل كبير بمُضخِّمات أشباه الموصلات في العديد من التطبيقات، إلا أنها لا تزال تُستخدم في بعض التطبيقات عالية القدرة والموثوقية.
5.2 الدائرة المغناطيسية للتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
في نظام التصوير بالرنين المغناطيسي، يتطلب الأمر مجالًا مغناطيسيًا قويًا وموحدًا للغاية لمحاذاة الدوران النووي للذرات في جسم الإنسان. تتكون الدائرة المغناطيسية لنظام التصوير بالرنين المغناطيسي من مغناطيس فائق التوصيل كبير الحجم، يُبرَّد إلى درجة حرارة منخفضة جدًا لتحقيق الموصلية الفائقة. يُولِّد المغناطيس فائق التوصيل مجالًا مغناطيسيًا عالي الكثافة بمقاومة منخفضة للغاية.
تتضمن الدائرة المغناطيسية أيضًا ملفات متدرجة، تُستخدم لإنشاء مجالات مغناطيسية متغيرة مكانيًا للترميز المكاني لإشارات الرنين المغناطيسي. يُعد تصميم الدائرة المغناطيسية للرنين المغناطيسي أمرًا بالغ الأهمية للحصول على صور عالية الجودة، ويراعي اعتبارات مثل اتساق المجال المغناطيسي، وخطية مجال التدرج، وسلامة المريض.
6. الخاتمة
تلعب هياكل الدوائر المغناطيسية الشائعة دورًا حيويًا في مجموعة واسعة من التطبيقات الكهربائية والإلكترونية. بدءًا من الملفات اللولبية البسيطة والمحاثات الحلقية، وصولًا إلى المحولات المعقدة وأنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، يتطلب تصميم وتحليل الدوائر المغناطيسية فهمًا عميقًا للمواد المغناطيسية ونظرية المجال المغناطيسي ومبادئ الدوائر.
من خلال تحسين هياكل الدوائر المغناطيسية، يمكن للمهندسين تحسين أداء وكفاءة وموثوقية مختلف الأجهزة. وقد تركز الأبحاث المستقبلية في تصميم الدوائر المغناطيسية على تطوير مواد مغناطيسية جديدة، ودمج الدوائر المغناطيسية مع أجهزة أشباه الموصلات، وتصغير حجم المكونات المغناطيسية لتطبيقات ناشئة مثل الإلكترونيات القابلة للارتداء وتكنولوجيا النانو.
وفي الختام، فإن المعرفة الشاملة للهياكل الدوائر المغناطيسية المشتركة ضرورية للمحترفين في مجالات الهندسة الكهربائية والإلكترونيات والفيزياء التطبيقية، مما يمكنهم من الابتكار وتطوير التكنولوجيا في مختلف الصناعات.
