ساختارهای مدار مغناطیسی رایج
مدارهای مغناطیسی در دستگاههای مختلف الکتریکی و الکترونیکی، از ترانسفورماتورها و سلفها گرفته تا موتورها و ژنراتورها، اساسی هستند. درک ساختارهای رایج مدارهای مغناطیسی برای مهندسان و دانشمندانی که در طراحی، تجزیه و تحلیل و بهینهسازی این دستگاهها دخیل هستند، بسیار مهم است. این مقاله، کاوشی عمیق در ساختارهای رایج مدارهای مغناطیسی، از جمله اجزای اساسی، اصول کار و کاربردهای آنها، ارائه میدهد. این مقاله مدارهای مغناطیسی ساده، مدارهای مغناطیسی مرکب و برخی از طرحهای مدارهای مغناطیسی با کاربردهای خاص را پوشش میدهد.
۱. مقدمه
مدارهای مغناطیسی مشابه مدارهای الکتریکی هستند، اما به جای سروکار داشتن با جریان الکتریکی، با جریان شار مغناطیسی سروکار دارند. مطالعه مدارهای مغناطیسی به درک چگونگی توزیع و کنترل میدانهای مغناطیسی در یک ماده مغناطیسی معین و پیکربندی شکاف هوایی کمک میکند. ساختارهای مدار مغناطیسی رایج برای دستیابی به ویژگیهای خاص میدان مغناطیسی، مانند چگالی شار مغناطیسی بالا، نشت مغناطیسی کم و انتقال انرژی کارآمد طراحی میشوند.
۲. اجزای اساسی مدارهای مغناطیسی
۲.۱ هسته مغناطیسی
هسته مغناطیسی بخش اصلی یک مدار مغناطیسی است که مسیری با رلوکتانس کم برای شار مغناطیسی فراهم میکند. این هسته معمولاً از مواد فرومغناطیسی مانند آهن، فولاد یا فریت ساخته میشود. مواد فرومغناطیسی نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارند، به این معنی که به راحتی میتوانند مغناطیسی و غیر مغناطیسی شوند. شکل هسته مغناطیسی میتواند بسیار متفاوت باشد، از جمله اشکال استوانهای، مستطیلی و چنبره ای.
- هسته استوانهای : اغلب در سلونوئیدها و برخی از انواع سلفها استفاده میشود. این هسته یک مسیر مغناطیسی نسبتاً ساده و متقارن را فراهم میکند. به عنوان مثال، در یک سلونوئید ساده، یک هسته استوانهای درون یک سیمپیچ قرار میگیرد. هنگامی که جریان الکتریکی از طریق سیمپیچ جریان مییابد، یک میدان مغناطیسی تولید میشود و شار مغناطیسی در هسته استوانهای متمرکز میشود.
- هسته مستطیلی : معمولاً در ترانسفورماتورها و برخی از سنسورهای مغناطیسی یافت میشود. شکل مستطیلی امکان روی هم قرار دادن آسان ورقهها را برای کاهش تلفات جریان گردابی فراهم میکند. هستههای لایهای با روی هم قرار دادن ورقهای نازک مواد مغناطیسی با یک لایه عایق بین آنها ساخته میشوند. این ساختار مسیرهای جریان گردابی را قطع میکند و تلفات انرژی ناشی از جریانهای گردابی را کاهش میدهد.
- هسته چنبره ای : هسته چنبره ای یک هسته مغناطیسی به شکل دونات است. این هسته از مزیت نشت مغناطیسی بسیار کم برخوردار است زیرا شار مغناطیسی کاملاً درون هسته محصور شده است. هسته های چنبره ای به طور گسترده در سلف ها و ترانسفورماتورهای با کارایی بالا، به ویژه در کاربردهایی که تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کم مورد نیاز است، استفاده می شوند.
۲.۲ کویل (سیمپیچها)
سیمپیچ که به عنوان سیمپیچ نیز شناخته میشود، بخش اساسی یک مدار مغناطیسی است. سیمپیچ از تعدادی دور سیم که به دور هسته مغناطیسی پیچیده شدهاند تشکیل شده است. هنگامی که جریان الکتریکی از سیمپیچ عبور میکند، نیروی محرکه مغناطیسی (MMF) تولید میکند که مشابه نیروی محرکه الکتریکی (EMF) در یک مدار الکتریکی است. MMF با فرمول زیر بدست میآید: که در آن تعداد دور سیمپیچ و جریان عبوری از سیمپیچ است.
- سیمپیچهای تک لایه : در سیمپیچهای تک لایه، سیم به صورت یک لایه به دور هسته پیچیده میشود. ساخت این نوع سیمپیچ ساده است اما ممکن است اندوکتانس نشتی نسبتاً بزرگی داشته باشد.
- سیمپیچهای چندلایه : سیمپیچهای چندلایه برای افزایش تعداد دور در یک فضای محدود استفاده میشوند. آنها را میتوان در الگوهای مختلفی مانند سیمپیچهای مارپیچی یا سبدی پیچید. سیمپیچهای چندلایه میتوانند اندوکتانس نشتی را کاهش داده و اندوکتانس سیمپیچ را افزایش دهند، اما ممکن است ظرفیت خازنی اضافی بین لایهها نیز ایجاد کنند.
۲.۳ شکاف هوایی
شکاف هوا یک ناحیه غیر مغناطیسی در یک مدار مغناطیسی است. این شکاف اغلب به دلایل مختلف، مانند کنترل چگالی شار مغناطیسی، ایجاد فاصله مکانیکی یا امکان حرکت اجزا، عمداً در مدارهای مغناطیسی ایجاد میشود. وجود شکاف هوا رلوکتانس مدار مغناطیسی را افزایش میدهد زیرا هوا در مقایسه با مواد فرومغناطیسی نفوذپذیری مغناطیسی بسیار کمتری دارد.
۳. ساختارهای مدار مغناطیسی ساده
۳.۱ مدار مغناطیسی سلونوئیدی
سلونوئید یک مدار مغناطیسی ساده است که از یک هسته استوانهای و یک سیمپیچ که به دور آن پیچیده شده است، تشکیل شده است. هنگامی که جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) از سیمپیچ عبور میکند، یک میدان مغناطیسی در امتداد محور سلونوئید ایجاد میشود.
- سلونوئید DC : در یک سلونوئید DC، میدان مغناطیسی تا زمانی که جریان ثابت باشد، ثابت است. چگالی شار مغناطیسی درون سلونوئید را میتوان با فرمول تقریب زد، که در آن نفوذپذیری فضای آزاد ( )، نفوذپذیری نسبی ماده هسته، تعداد دور در واحد طول و جریان است. سلونوئیدهای DC معمولاً در رلهها، شیرها و محرکها استفاده میشوند.
- سلونوئید AC : در یک سلونوئید AC، جریان و میدان مغناطیسی به صورت سینوسی با زمان تغییر میکنند. اندوکتانس سلونوئید نقش مهمی در تعیین رابطه جریان-ولتاژ ایفا میکند. سلونوئیدهای AC در کاربردهایی استفاده میشوند که در آنها میدان مغناطیسی باید به سرعت روشن و خاموش شود، مانند برخی از انواع موتورها و سوئیچها.
۳.۲ مدار مغناطیسی سلف حلقوی
سلف حلقوی یک مدار مغناطیسی با هسته حلقوی و سیمپیچهایی است که به دور آن پیچیده شدهاند. شکل حلقوی تضمین میکند که شار مغناطیسی درون هسته محدود شده و در نتیجه نشت مغناطیسی کمی دارد.
اندوکتانس یک سلف حلقوی را میتوان با استفاده از فرمول محاسبه کرد، که در آن تعداد دورها، سطح مقطع هسته و شعاع متوسط حلقوی است. سلفهای حلقوی به دلیل ویژگیهای EMI پایین، به طور گسترده در کاربردهای فرکانس بالا، مانند مدارهای فرکانس رادیویی (RF) و منابع تغذیه، مورد استفاده قرار میگیرند.
۴. ساختارهای مدار مغناطیسی مرکب
۴.۱ مدار مغناطیسی ترانسفورماتور
ترانسفورماتور یک مدار مغناطیسی مرکب است که از دو یا چند سیمپیچ (اولیه و ثانویه) تشکیل شده است که به دور یک هسته مغناطیسی مشترک پیچیده شدهاند. سیمپیچ اولیه به یک منبع تغذیه AC متصل است که یک شار مغناطیسی متناوب در هسته تولید میکند. این شار مغناطیسی با سیمپیچ ثانویه مرتبط میشود و طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، یک ولتاژ متناوب در سیمپیچ ثانویه القا میکند.
- ترانسفورماتور نوع هسته ای : در یک ترانسفورماتور نوع هسته ای، سیم پیچ ها روی شاخه های هسته قرار می گیرند. شار مغناطیسی از طریق هسته جریان می یابد و با سیم پیچ های اولیه و ثانویه پیوند می یابد. ترانسفورماتورهای نوع هسته ای به دلیل ساختار نسبتاً ساده و راندمان بالا، به طور گسترده در سیستم های توزیع و انتقال برق مورد استفاده قرار می گیرند.
- ترانسفورماتور نوع پوستهای : در ترانسفورماتور نوع پوستهای، سیمپیچها شاخه مرکزی هسته را احاطه میکنند. این ساختار، محافظ مغناطیسی بهتری را فراهم میکند و شار نشتی بین سیمپیچهای اولیه و ثانویه را کاهش میدهد. ترانسفورماتورهای نوع پوستهای اغلب در کاربردهای کمتوان، مانند دستگاههای الکترونیکی و تجهیزات صوتی، استفاده میشوند.
۴.۲ مدار مغناطیسی موتور رلوکتانسی
موتور رلوکتانسی نوعی موتور الکتریکی است که بر اساس اصل رلوکتانس مغناطیسی کار میکند. مدار مغناطیسی موتور رلوکتانسی از یک استاتور با قطبهای برجسته و یک روتور با قطبهای برجسته تشکیل شده است. قطبهای استاتور توسط میدان مغناطیسی تحریک میشوند و روتور سعی میکند خود را با قطبهای استاتور همسو کند تا رلوکتانس مغناطیسی مدار را به حداقل برساند.
گشتاور در یک موتور رلوکتانسی با فرمول داده میشود، که در آن جریان در سیمپیچهای استاتور، اندوکتانس موتور و موقعیت زاویهای روتور است. موتورهای رلوکتانسی ساختار سادهای دارند، قابلیت اطمینان بالایی دارند و در کاربردهایی مانند فنها، پمپها و برخی از درایوهای صنعتی استفاده میشوند.
۵. ساختارهای مدار مغناطیسی با کاربرد خاص
۵.۱ مدار مغناطیسی تقویتکننده مغناطیسی
تقویتکننده مغناطیسی دستگاهی است که از خواص مغناطیسی غیرخطی یک هسته مغناطیسی برای تقویت سیگنال الکتریکی استفاده میکند. مدار مغناطیسی یک تقویتکننده مغناطیسی معمولاً از یک هسته با چندین سیمپیچ، شامل یک سیمپیچ کنترل و یک سیمپیچ خروجی، تشکیل شده است.
با اعمال جریان کنترلی به سیمپیچ کنترلی، نفوذپذیری مغناطیسی هسته تغییر میکند که به نوبه خود بر شار مغناطیسی و ولتاژ القایی در سیمپیچ خروجی تأثیر میگذارد. تقویتکنندههای مغناطیسی در گذشته به طور گسترده برای تقویت و کنترل سیگنال در کاربردهایی مانند منابع تغذیه و سیستمهای کنترل موتور استفاده میشدند. اگرچه آنها در بسیاری از کاربردها تا حد زیادی توسط تقویتکنندههای مبتنی بر نیمههادی جایگزین شدهاند، اما هنوز هم در برخی از کاربردهای توان بالا و با قابلیت اطمینان بالا مورد استفاده قرار میگیرند.
۵.۲ مدار مغناطیسی تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI)
در یک سیستم MRI، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی و یکنواخت برای همسو کردن اسپینهای هستهای اتمها در بدن انسان مورد نیاز است. مدار مغناطیسی یک سیستم MRI از یک آهنربای ابررسانای بزرگ تشکیل شده است که برای رسیدن به ابررسانایی تا دمای بسیار پایین سرد میشود. آهنربای ابررسانا یک میدان مغناطیسی با شدت بالا و مقاومت بسیار کم تولید میکند.
مدار مغناطیسی همچنین شامل کویلهای گرادیان است که برای ایجاد میدانهای مغناطیسی متغیر مکانی برای رمزگذاری مکانی سیگنالهای MRI استفاده میشوند. طراحی مدار مغناطیسی MRI برای به دست آوردن تصاویر با کیفیت بالا بسیار مهم است و شامل ملاحظاتی مانند یکنواختی میدان مغناطیسی، خطی بودن میدان گرادیان و ایمنی بیمار میشود.
۶. نتیجهگیری
ساختارهای رایج مدار مغناطیسی نقش حیاتی در طیف وسیعی از کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی ایفا میکنند. از سلونوئیدهای ساده و سلفهای حلقوی گرفته تا ترانسفورماتورهای پیچیده و سیستمهای MRI، طراحی و تحلیل مدارهای مغناطیسی نیاز به درک عمیقی از مواد مغناطیسی، نظریه میدان مغناطیسی و اصول مدار دارد.
با بهینهسازی ساختارهای مدار مغناطیسی، مهندسان میتوانند عملکرد، کارایی و قابلیت اطمینان دستگاههای مختلف را بهبود بخشند. تحقیقات آینده در طراحی مدار مغناطیسی ممکن است بر توسعه مواد مغناطیسی جدید، ادغام مدارهای مغناطیسی با دستگاههای نیمههادی و کوچکسازی اجزای مغناطیسی برای کاربردهای نوظهور مانند الکترونیک پوشیدنی و فناوری نانو متمرکز شود.
در پایان، دانش جامع از ساختارهای مدار مغناطیسی رایج برای متخصصان در زمینههای مهندسی برق، الکترونیک و فیزیک کاربردی ضروری است و آنها را قادر میسازد تا در صنایع مختلف نوآوری و فناوری را پیش ببرند.
