Gängige Strukturen magnetischer Kreise
Magnetische Kreise sind grundlegend für diverse elektrische und elektronische Geräte, von Transformatoren und Induktivitäten bis hin zu Motoren und Generatoren. Das Verständnis der gängigen Strukturen magnetischer Kreise ist für Ingenieure und Wissenschaftler, die an der Entwicklung, Analyse und Optimierung dieser Geräte beteiligt sind, unerlässlich. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Untersuchung gängiger Strukturen magnetischer Kreise, einschließlich ihrer grundlegenden Komponenten, Funktionsprinzipien und Anwendungen. Er behandelt einfache und zusammengesetzte magnetische Kreise sowie einige spezielle Ausführungen magnetischer Kreise.
1. Einleitung
Magnetische Kreise sind analog zu elektrischen Kreisen, befassen sich jedoch nicht mit dem Fluss von elektrischem Strom, sondern mit dem Fluss von magnetischem Fluss. Die Untersuchung magnetischer Kreise trägt zum Verständnis bei, wie Magnetfelder in einem bestimmten magnetischen Material und einer bestimmten Luftspaltkonfiguration verteilt und gesteuert werden. Gängige Strukturen magnetischer Kreise sind so ausgelegt, dass sie spezifische Magnetfeldeigenschaften wie eine hohe magnetische Flussdichte, geringe magnetische Streuung und einen effizienten Energietransfer erreichen.
2. Grundlegende Komponenten magnetischer Kreise
2.1 Magnetkern
Der Magnetkern ist das zentrale Element eines Magnetkreises und bietet einen niederohmigen Pfad für den magnetischen Fluss. Er besteht üblicherweise aus ferromagnetischen Materialien wie Eisen, Stahl oder Ferriten. Ferromagnetische Materialien weisen eine hohe magnetische Permeabilität auf, wodurch sie sich leicht magnetisieren und entmagnetisieren lassen. Die Form des Magnetkerns kann stark variieren und umfasst zylindrische, rechteckige und ringförmige Formen.
- Zylindrischer Kern : Wird häufig in Spulen und bestimmten Induktoren verwendet. Er bietet einen relativ einfachen und symmetrischen magnetischen Pfad. Beispielsweise befindet sich in einer einfachen Spule ein zylindrischer Kern innerhalb einer Drahtspule. Fließt ein elektrischer Strom durch die Spule, entsteht ein Magnetfeld, dessen magnetischer Fluss sich im zylindrischen Kern konzentriert.
- Rechteckiger Kern : Häufig in Transformatoren und einigen Magnetsensoren zu finden. Die rechteckige Form ermöglicht ein einfaches Stapeln der Lamellen, wodurch Wirbelstromverluste reduziert werden. Lamellenkerne bestehen aus dünnen Blechen magnetischen Materials, die mit einer Isolierschicht dazwischen übereinander gestapelt werden. Diese Struktur unterbricht die Wirbelstrompfade und reduziert so die Energieverluste durch Wirbelströme.
- Ringkern : Ein Ringkern ist ein ringförmiger Magnetkern. Er zeichnet sich durch sehr geringe magnetische Streuung aus, da der magnetische Fluss vollständig im Kern eingeschlossen ist. Ringkerne werden häufig in Hochleistungsinduktivitäten und Transformatoren eingesetzt, insbesondere in Anwendungen, bei denen geringe elektromagnetische Störungen (EMI) erforderlich sind.
2.2 Spule (Wicklungen)
Die Spule, auch Wicklung genannt, ist ein wesentlicher Bestandteil eines magnetischen Kreises. Sie besteht aus mehreren Windungen Draht, die um den Magnetkern gewickelt sind. Fließt ein elektrischer Strom durch die Spule, erzeugt er eine magnetomotorische Kraft (MMK), die der elektromotorischen Kraft (EMK) in einem elektrischen Stromkreis entspricht. Die MMF wird durch die Formel gegeben. , wobei die Windungszahl der Spule und der durch die Spule fließende Strom ist.
- Einlagige Wicklungen : Bei einlagigen Wicklungen wird der Draht in einer einzigen Lage um den Kern gewickelt. Diese Wicklungsart ist einfach herzustellen, kann aber eine relativ hohe Streuinduktivität aufweisen.
- Mehrlagige Wicklungen : Mehrlagige Wicklungen dienen dazu, die Windungszahl auf begrenztem Raum zu erhöhen. Sie können in verschiedenen Wicklungsmustern, wie z. B. spiralförmig oder als Korbwicklung, gewickelt werden. Mehrlagige Wicklungen können die Streuinduktivität reduzieren und die Induktivität der Spule erhöhen, jedoch kann es auch zu zusätzlichen Kapazitäten zwischen den Lagen kommen.
2.3 Luftspalt
Ein Luftspalt ist ein nichtmagnetischer Bereich in einem Magnetkreis. Er wird häufig aus verschiedenen Gründen gezielt in Magnetkreise eingebracht, beispielsweise zur Steuerung der magnetischen Flussdichte, zur Schaffung von mechanischem Spiel oder zur Ermöglichung der Bewegung von Bauteilen. Das Vorhandensein eines Luftspalts erhöht den magnetischen Widerstand des Magnetkreises, da Luft eine deutlich geringere magnetische Permeabilität als ferromagnetische Materialien aufweist.
3. Einfache magnetische Kreisstrukturen
3.1 Magnetischer Kreis mit Solenoid
Ein Solenoid ist ein einfacher magnetischer Kreis, bestehend aus einem zylindrischen Kern und einer darum gewickelten Drahtspule. Fließt Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) durch die Spule, entsteht ein Magnetfeld entlang der Achse des Solenoids.
- Gleichstromspule : In einer Gleichstromspule ist das Magnetfeld konstant, solange der Strom konstant ist. Die magnetische Flussdichte im Inneren der Spule kann näherungsweise durch die Formel beschrieben werden, wobei die Permeabilität des Vakuums ( ), die relative Permeabilität des Kernmaterials, die Windungszahl pro Längeneinheit und der Strom ist. Gleichstromspulen werden häufig in Relais, Ventilen und Aktuatoren eingesetzt.
- Wechselstrom-Solenoid : In einem Wechselstrom-Solenoid ändern sich Stromstärke und Magnetfeld sinusförmig mit der Zeit. Die Induktivität des Solenoids spielt eine wichtige Rolle für die Strom-Spannungs-Kennlinie. Wechselstrom-Solenoids werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Magnetfeld schnell ein- und ausgeschaltet werden muss, beispielsweise in bestimmten Motoren und Schaltern.
3.2 Ringkerninduktor-Magnetkreis
Ein Ringkerninduktor ist ein magnetischer Kreis mit einem ringförmigen Kern und darum gewickelten Wicklungen. Die Ringform sorgt dafür, dass der magnetische Fluss im Kern eingeschlossen bleibt, was zu geringen magnetischen Streuverlusten führt.
Die Induktivität einer Ringkernspule lässt sich mit der Formel berechnen, wobei die Windungszahl, die Querschnittsfläche des Kerns und der mittlere Radius des Toroids ist. Ringkernspulen werden aufgrund ihrer geringen elektromagnetischen Störungen (EMI) häufig in Hochfrequenzanwendungen wie Hochfrequenzschaltungen (HF) und Netzteilen eingesetzt.
4. Zusammengesetzte magnetische Kreisstrukturen
4.1 Magnetischer Kreis des Transformators
Ein Transformator ist ein zusammengesetzter magnetischer Kreis, bestehend aus zwei oder mehr Spulen (Primär- und Sekundärspule), die um einen gemeinsamen Magnetkern gewickelt sind. Die Primärspule ist an eine Wechselstromquelle angeschlossen, die im Kern einen magnetischen Wechselfluss erzeugt. Dieser magnetische Fluss induziert gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz eine Wechselspannung in der Sekundärspule.
- Kerntransformator : Bei einem Kerntransformator befinden sich die Wicklungen auf den Schenkeln des Kerns. Der magnetische Fluss durchdringt den Kern und verbindet sich mit der Primär- und Sekundärwicklung. Kerntransformatoren werden aufgrund ihrer relativ einfachen Bauweise und ihres hohen Wirkungsgrades häufig in Energieverteilungs- und -übertragungssystemen eingesetzt.
- Manteltransformator : Bei einem Manteltransformator umschließen die Wicklungen den zentralen Schenkel des Kerns. Diese Bauweise sorgt für eine bessere magnetische Abschirmung und reduziert den Streufluss zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Manteltransformatoren werden häufig in Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt, beispielsweise in elektronischen Geräten und Audiogeräten.
4.2 Magnetkreis des Reluktanzmotors
Ein Reluktanzmotor ist ein Elektromotor, der nach dem Prinzip der magnetischen Reluktanz arbeitet. Der Magnetkreis eines Reluktanzmotors besteht aus einem Stator und einem Rotor mit ausgeprägten Polen. Die Statorpole werden durch ein Magnetfeld erregt, und der Rotor richtet sich an den Statorpolen aus, um die magnetische Reluktanz des Kreises zu minimieren.
Das Drehmoment eines Reluktanzmotors wird durch die Formel beschrieben, wobei der Strom in den Statorwicklungen, die Induktivität des Motors und die Winkelposition des Rotors ist. Reluktanzmotoren sind einfach aufgebaut, weisen eine hohe Zuverlässigkeit auf und werden in Anwendungen wie Ventilatoren, Pumpen und einigen Industrieantrieben eingesetzt.
5. Spezielle magnetische Kreisstrukturen
5.1 Magnetischer Verstärker Magnetkreis
Ein Magnetverstärker ist ein Gerät, das die nichtlinearen magnetischen Eigenschaften eines Magnetkerns zur Verstärkung eines elektrischen Signals nutzt. Der Magnetkreis eines Magnetverstärkers besteht typischerweise aus einem Kern mit mehreren Wicklungen, darunter eine Steuerwicklung und eine Ausgangswicklung.
Durch Anlegen eines Steuerstroms an die Steuerwicklung wird die magnetische Permeabilität des Kerns verändert, was wiederum den magnetischen Fluss und die induzierte Spannung in der Ausgangswicklung beeinflusst. Magnetische Verstärker wurden früher häufig zur Signalverstärkung und -steuerung in Anwendungen wie Netzteilen und Motorsteuerungen eingesetzt. Obwohl sie in vielen Anwendungen weitgehend durch Halbleiterverstärker ersetzt wurden, finden sie in einigen Hochleistungs- und Hochzuverlässigkeitsanwendungen weiterhin Verwendung.
5.2 Magnetresonanztomographie (MRT) Magnetkreis
In einem MRT-System ist ein sehr starkes und gleichmäßiges Magnetfeld erforderlich, um die Kernspins der Atome im menschlichen Körper auszurichten. Der Magnetkreis eines MRT-Systems besteht aus einem großen supraleitenden Magneten, der auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt wird, um Supraleitung zu erreichen. Dieser supraleitende Magnet erzeugt ein hochintensives Magnetfeld mit extrem niedrigem Widerstand.
Der Magnetkreis umfasst auch Gradientenspulen, die zur Erzeugung räumlich variierender Magnetfelder für die räumliche Kodierung der MRT-Signale dienen. Die Auslegung des MRT-Magnetkreises ist entscheidend für die Gewinnung qualitativ hochwertiger Bilder und berücksichtigt Aspekte wie Magnetfeldhomogenität, Gradientenfeldlinearität und Patientensicherheit.
6. Schlussfolgerung
Gängige Magnetkreisstrukturen spielen eine entscheidende Rolle in einer Vielzahl elektrischer und elektronischer Anwendungen. Von einfachen Solenoiden und Ringkerninduktivitäten bis hin zu komplexen Transformatoren und MRT-Systemen erfordern die Entwicklung und Analyse von Magnetkreisen ein tiefes Verständnis magnetischer Materialien, der Magnetfeldtheorie und der Schaltungsprinzipien.
Durch die Optimierung magnetischer Schaltungsstrukturen können Ingenieure die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit verschiedener Geräte verbessern. Zukünftige Forschung im Bereich magnetischer Schaltungen könnte sich auf die Entwicklung neuer magnetischer Materialien, die Integration magnetischer Schaltungen mit Halbleiterbauelementen und die Miniaturisierung magnetischer Komponenten für neue Anwendungen wie tragbare Elektronik und Nanotechnologie konzentrieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass umfassende Kenntnisse über gängige magnetische Kreisstrukturen für Fachleute in den Bereichen Elektrotechnik, Elektronik und angewandte Physik unerlässlich sind, um Innovationen voranzutreiben und die Technologie in verschiedenen Branchen weiterzuentwickeln.
