Senz Magnet - Globalni proizvođač materijala za trajne magnete & Dobavljač više od 20 godina.
Uobičajene strukture magnetskih krugova
Magnetski krugovi su temeljni u raznim električnim i elektroničkim uređajima, od transformatora i induktora do motora i generatora. Razumijevanje uobičajenih struktura magnetskih krugova ključno je za inženjere i znanstvenike uključene u dizajn, analizu i optimizaciju ovih uređaja. Ovaj članak pruža detaljno istraživanje uobičajenih struktura magnetskih krugova, uključujući njihove osnovne komponente, principe rada i primjenu. Obuhvaća jednostavne magnetske krugove, složene magnetske krugove i neke dizajne magnetskih krugova za posebne namjene.
1. Uvod
Magnetski krugovi su analogni električnim krugovima, ali umjesto da se bave tokom električne struje, oni se bave tokom magnetskog fluksa. Proučavanje magnetskih krugova pomaže u razumijevanju kako se magnetska polja distribuiraju i kontroliraju unutar danog magnetskog materijala i konfiguracije zračnog raspora. Uobičajene strukture magnetskih krugova dizajnirane su za postizanje specifičnih karakteristika magnetskog polja, kao što su visoka gustoća magnetskog fluksa, nisko magnetsko propuštanje i učinkovit prijenos energije.
2. Osnovne komponente magnetskih krugova
2.1 Magnetska jezgra
Magnetska jezgra je glavni dio magnetskog kruga koji osigurava put s niskom reluktancijom za magnetski tok. Obično je izrađena od feromagnetskih materijala poput željeza, čelika ili ferita. Feromagnetski materijali imaju visoku magnetsku permeabilnost, što znači da se mogu lako magnetizirati i demagnetizirati. Oblik magnetske jezgre može uvelike varirati, uključujući cilindrične, pravokutne i toroidne oblike.
- Cilindrična jezgra : Često se koristi u solenoidima i nekim vrstama induktora. Pruža relativno jednostavan i simetričan magnetski put. Na primjer, u jednostavnom solenoidu, cilindrična jezgra se nalazi unutar zavojnice žice. Kada električna struja teče kroz zavojnicu, stvara se magnetsko polje, a magnetski tok se koncentrira unutar cilindrične jezgre.
- Pravokutna jezgra : Često se nalazi u transformatorima i nekim magnetskim senzorima. Pravokutni oblik omogućuje jednostavno slaganje laminata kako bi se smanjili gubici vrtložnih struja. Laminirane jezgre izrađuju se slaganjem tankih listova magnetskog materijala s izolacijskim slojem između njih. Ova struktura prekida putove vrtložnih struja, smanjujući gubitke energije zbog vrtložnih struja.
- Toroidna jezgra : Toroidna jezgra je magnetska jezgra u obliku krafne. Ima prednost vrlo niskog magnetskog propuštanja jer je magnetski tok u potpunosti sadržan unutar jezgre. Toroidne jezgre se široko koriste u visokoučinkovitim induktorima i transformatorima, posebno u primjenama gdje je potrebna niska elektromagnetska interferencija (EMI).
2.2 Zavojnica (namoti)
Zavojnica, također poznata kao namoti, bitan je dio magnetskog kruga. Sastoji se od određenog broja zavoja žice omotane oko magnetske jezgre. Kada električna struja teče kroz zavojnicu, ona generira magnetomotornu silu (MMF), koja je analogna elektromotornoj sili (EMF) u električnom krugu. MMF je dan formulom , gdje je broj zavoja zavojnice, a struja koja teče kroz zavojnicu.
- Jednoslojni namoti : Kod jednoslojnih namota, žica je namotana oko jezgre u jednom sloju. Ova vrsta namota je jednostavna za konstrukciju, ali može imati relativno veliku induktivnost rasipanja.
- Višeslojni namoti : Višeslojni namoti koriste se za povećanje broja zavoja u ograničenom prostoru. Mogu se namotavati u različitim uzorcima, kao što su spiralni ili košarasti namoti. Višeslojni namoti mogu smanjiti induktivitet rasipanja i povećati induktivitet zavojnice, ali mogu i uvesti dodatni kapacitet između slojeva.
2.3 Zračni razmak
Zračni raspor je nemagnetično područje u magnetskom krugu. Često se namjerno uvodi u magnetske krugove iz različitih razloga, kao što su kontrola gustoće magnetskog toka, osiguravanje mehaničkog razmaka ili omogućavanje kretanja komponenti. Prisutnost zračnog raspora povećava otpor magnetskog kruga jer zrak ima puno nižu magnetsku permeabilnost u usporedbi s feromagnetskim materijalima.
3. Jednostavne strukture magnetskih krugova
3.1 Magnetski krug solenoida
Solenoid je jednostavan magnetski krug koji se sastoji od cilindrične jezgre i zavojnice žice namotane oko nje. Kada kroz zavojnicu teče istosmjerna (DC) ili izmjenična (AC) struja, duž osi solenoida se stvara magnetsko polje.
- DC solenoid : U DC solenoidu, magnetsko polje je stabilno sve dok je struja konstantna. Gustoća magnetskog toka unutar solenoida može se aproksimirati formulom , gdje je permeabilnost slobodnog prostora ( ), je relativna permeabilnost materijala jezgre, je broj zavoja po jedinici duljine, a je struja. DC solenoidi se obično koriste u relejima, ventilima i aktuatorima.
- AC solenoid : U AC solenoidu, struja i magnetsko polje mijenjaju se sinusoidno s vremenom. Induktivitet solenoida igra važnu ulogu u određivanju odnosa struje i napona. AC solenoidi se koriste u primjenama gdje se magnetsko polje treba brzo uključivati i isključivati, kao što je to slučaj kod nekih vrsta motora i prekidača.
3.2 Magnetski krug toroidnog induktora
Toroidni induktor je magnetski krug s toroidnom jezgrom i namotima omotanim oko nje. Toroidni oblik osigurava da je magnetski tok ograničen unutar jezgre, što rezultira niskim magnetskim rasipanjem.
Induktivitet toroidnog induktora može se izračunati pomoću formule , gdje je broj zavoja, je površina poprečnog presjeka jezgre, a je srednji polumjer toroida. Toroidni induktori se široko koriste u visokofrekventnim primjenama, kao što su radiofrekventni (RF) krugovi i napajanja, zbog svojih niskih EMI karakteristika.
4. Strukture složenih magnetskih krugova
4.1 Magnetski krug transformatora
Transformator je složeni magnetski krug koji se sastoji od dvije ili više zavojnica (primarne i sekundarne) namotanih oko zajedničke magnetske jezgre. Primarna zavojnica spojena je na izvor izmjenične struje, koji generira izmjenični magnetski tok u jezgri. Taj magnetski tok povezan je sa sekundarnom zavojnicom, inducirajući izmjenični napon u sekundarnoj zavojnici prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije.
- Transformator s jezgrom : U transformatoru s jezgrom, namoti su smješteni na krakovima jezgre. Magnetski tok teče kroz jezgru i povezuje se s primarnim i sekundarnim namotima. Transformatori s jezgrom se široko koriste u sustavima distribucije i prijenosa električne energije zbog svoje relativno jednostavne konstrukcije i visoke učinkovitosti.
- Transformator s ljuskom : U transformatoru s ljuskom, namoti okružuju središnji dio jezgre. Ova struktura pruža bolje magnetsko oklopljavanje i smanjuje tok rasipanja između primarnog i sekundarnog namota. Transformatori s ljuskom često se koriste u primjenama male snage, kao što su elektronički uređaji i audio oprema.
4.2 Magnetski krug reluktancijskog motora
Reluktantni motor je vrsta elektromotora koji radi na principu magnetske reluktancije. Magnetski krug reluktantnog motora sastoji se od statora s istaknutim polovima i rotora s istaknutim polovima. Statorski polovi su pobuđeni magnetskim poljem, a rotor se pokušava poravnati sa statorskim polovima kako bi se smanjila magnetska reluktancija kruga.
Moment u reluktancijskom motoru dan je formulom , gdje je struja u namotima statora, je induktivitet motora, a je kutni položaj rotora. Reluktancijski motori su jednostavne konstrukcije, imaju visoku pouzdanost i koriste se u primjenama kao što su ventilatori, pumpe i neki industrijski pogoni.
5. Magnetne strukture sklopova posebne namjene
5.1 Magnetski krug magnetskog pojačala
Magnetsko pojačalo je uređaj koji koristi nelinearna magnetska svojstva magnetske jezgre za pojačavanje električnog signala. Magnetski krug magnetskog pojačala obično se sastoji od jezgre s više namota, uključujući upravljački namot i izlazni namot.
Primjenom upravljačke struje na upravljački namot mijenja se magnetska permeabilnost jezgre, što zauzvrat utječe na magnetski tok i inducirani napon u izlaznom namotu. Magnetska pojačala su se u prošlosti široko koristila za pojačanje i upravljanje signalom u primjenama kao što su napajanja i sustavi upravljanja motorima. Iako su ih u mnogim primjenama uglavnom zamijenila pojačala na bazi poluvodiča, ona i dalje nalaze primjenu u nekim primjenama velike snage i visoke pouzdanosti.
5.2 Magnetski krug magnetske rezonancije (MRI)
U MRI sustavu potrebno je vrlo jako i ujednačeno magnetsko polje za poravnavanje nuklearnih spinova atoma u ljudskom tijelu. Magnetski krug MRI sustava sastoji se od velikog supravodljivog magneta koji se hladi na vrlo nisku temperaturu kako bi se postigla supravodljivost. Supravodljivi magnet generira magnetsko polje visokog intenziteta s izuzetno niskim otporom.
Magnetski krug također uključuje gradijentne zavojnice koje se koriste za stvaranje prostorno promjenjivih magnetskih polja za prostorno kodiranje MRI signala. Dizajn MRI magnetskog kruga ključan je za dobivanje visokokvalitetnih slika i uključuje razmatranja kao što su ujednačenost magnetskog polja, linearnost gradijentnog polja i sigurnost pacijenta.
6. Zaključak
Uobičajene strukture magnetskih krugova igraju vitalnu ulogu u širokom rasponu električnih i elektroničkih primjena. Od jednostavnih solenoida i toroidnih induktora do složenih transformatora i MRI sustava, dizajn i analiza magnetskih krugova zahtijevaju duboko razumijevanje magnetskih materijala, teorije magnetskog polja i principa sklopova.
Optimizacijom struktura magnetskih krugova, inženjeri mogu poboljšati performanse, učinkovitost i pouzdanost raznih uređaja. Buduća istraživanja u dizajnu magnetskih krugova mogu se usredotočiti na razvoj novih magnetskih materijala, integraciju magnetskih krugova s poluvodičkim uređajima i miniaturizaciju magnetskih komponenti za nove primjene poput nosive elektronike i nanotehnologije.
Zaključno, sveobuhvatno poznavanje uobičajenih struktura magnetskih krugova ključno je za stručnjake u područjima elektrotehnike, elektronike i primijenjene fizike, što im omogućuje inovacije i unapređenje tehnologije u raznim industrijama.
