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Strutture comuni dei circuiti magnetici
I circuiti magnetici sono fondamentali in vari dispositivi elettrici ed elettronici, dai trasformatori e induttori ai motori e generatori. Comprendere le strutture circuitali magnetiche più comuni è fondamentale per ingegneri e scienziati coinvolti nella progettazione, analisi e ottimizzazione di questi dispositivi. Questo articolo fornisce un'analisi approfondita delle strutture circuitali magnetiche più comuni, inclusi i loro componenti di base, i principi di funzionamento e le applicazioni. Copre circuiti magnetici semplici, circuiti magnetici composti e alcuni progetti di circuiti magnetici per scopi speciali.
1. Introduzione
I circuiti magnetici sono analoghi ai circuiti elettrici, ma invece di occuparsi del flusso di corrente elettrica, si occupano del flusso di flusso magnetico. Lo studio dei circuiti magnetici aiuta a comprendere come i campi magnetici vengono distribuiti e controllati all'interno di un dato materiale magnetico e di una determinata configurazione del traferro. Le strutture dei circuiti magnetici più comuni sono progettate per ottenere specifiche caratteristiche del campo magnetico, come un'elevata densità di flusso magnetico, una bassa dispersione magnetica e un efficiente trasferimento di energia.
2. Componenti di base dei circuiti magnetici
2.1 Nucleo magnetico
Il nucleo magnetico è la parte principale di un circuito magnetico che fornisce un percorso a bassa riluttanza per il flusso magnetico. Di solito è realizzato in materiali ferromagnetici come ferro, acciaio o ferrite. I materiali ferromagnetici hanno un'elevata permeabilità magnetica, il che significa che possono essere facilmente magnetizzati e smagnetizzati. La forma del nucleo magnetico può variare ampiamente, includendo forme cilindriche, rettangolari e toroidali.
- Nucleo cilindrico : spesso utilizzato nei solenoidi e in alcuni tipi di induttori. Fornisce un percorso magnetico relativamente semplice e simmetrico. Ad esempio, in un solenoide semplice, un nucleo cilindrico è inserito in una bobina di filo. Quando una corrente elettrica scorre attraverso la bobina, viene generato un campo magnetico e il flusso magnetico si concentra all'interno del nucleo cilindrico.
- Nucleo rettangolare : comunemente presente nei trasformatori e in alcuni sensori magnetici. La forma rettangolare consente un facile impilamento dei lamierini per ridurre le perdite dovute a correnti parassite. I nuclei laminati sono realizzati impilando sottili fogli di materiale magnetico con uno strato isolante tra di loro. Questa struttura interrompe i percorsi delle correnti parassite, riducendo le perdite di energia dovute alle correnti parassite.
- Nucleo toroidale : un nucleo toroidale è un nucleo magnetico a forma di ciambella. Presenta il vantaggio di una dispersione magnetica molto bassa poiché il flusso magnetico è completamente contenuto all'interno del nucleo. I nuclei toroidali sono ampiamente utilizzati in induttori e trasformatori ad alte prestazioni, soprattutto in applicazioni in cui è richiesta una bassa interferenza elettromagnetica (EMI).
2.2 Bobina (Avvolgimenti)
La bobina, nota anche come avvolgimento, è una parte essenziale di un circuito magnetico. È costituita da un certo numero di spire di filo avvolte attorno al nucleo magnetico. Quando una corrente elettrica scorre attraverso la bobina, genera una forza magnetomotrice (F.M.M.), analoga alla forza elettromotrice (F.E.M.) in un circuito elettrico. La F.M.M.M. è data dalla formula , dove è il numero di spire della bobina e è la corrente che scorre attraverso la bobina.
- Avvolgimenti a strato singolo : negli avvolgimenti a strato singolo, il filo è avvolto attorno al nucleo in un unico strato. Questo tipo di avvolgimento è semplice da realizzare, ma può presentare un'induttanza di dispersione relativamente elevata.
- Avvolgimenti multistrato : gli avvolgimenti multistrato vengono utilizzati per aumentare il numero di spire in uno spazio limitato. Possono essere avvolti in diversi schemi, come avvolgimenti elicoidali o a cestello. Gli avvolgimenti multistrato possono ridurre l'induttanza di dispersione e aumentare l'induttanza della bobina, ma possono anche introdurre capacità aggiuntiva tra gli strati.
2.3 Aria - Spazio
Un traferro è una regione non magnetica in un circuito magnetico. Viene spesso introdotto intenzionalmente nei circuiti magnetici per vari motivi, come il controllo della densità del flusso magnetico, la creazione di gioco meccanico o il movimento dei componenti. La presenza di un traferro aumenta la riluttanza del circuito magnetico poiché l'aria ha una permeabilità magnetica molto inferiore rispetto ai materiali ferromagnetici.
3. Semplici strutture di circuiti magnetici
3.1 Circuito magnetico del solenoide
Un solenoide è un semplice circuito magnetico costituito da un nucleo cilindrico e da una bobina di filo avvolto attorno ad esso. Quando una corrente continua (CC) o alternata (CA) scorre attraverso la bobina, viene generato un campo magnetico lungo l'asse del solenoide.
- Solenoide CC : in un solenoide CC, il campo magnetico è stabile finché la corrente è costante. La densità di flusso magnetico all'interno del solenoide può essere approssimata dalla formula , dove è la permeabilità dello spazio libero ( ), è la permeabilità relativa del materiale del nucleo, è il numero di spire per unità di lunghezza e è la corrente. I solenoidi CC sono comunemente utilizzati in relè, valvole e attuatori.
- Solenoide CA : in un solenoide CA, la corrente e il campo magnetico variano sinusoidalmente nel tempo. L'induttanza del solenoide gioca un ruolo importante nel determinare la relazione corrente-tensione. I solenoidi CA sono utilizzati in applicazioni in cui il campo magnetico deve essere attivato e disattivato rapidamente, come in alcuni tipi di motori e interruttori.
3.2 Circuito magnetico dell'induttore toroidale
Un induttore toroidale è un circuito magnetico con un nucleo toroidale e avvolgimenti avvolti attorno ad esso. La forma toroidale garantisce che il flusso magnetico sia confinato all'interno del nucleo, con conseguente bassa dispersione magnetica.
L'induttanza di un induttore toroidale può essere calcolata utilizzando la formula , dove è il numero di spire, è la sezione trasversale del nucleo e è il raggio medio del toroide. Gli induttori toroidali sono ampiamente utilizzati in applicazioni ad alta frequenza, come nei circuiti a radiofrequenza (RF) e negli alimentatori, grazie alle loro basse caratteristiche EMI.
4. Strutture di circuiti magnetici composti
4.1 Circuito magnetico del trasformatore
Un trasformatore è un circuito magnetico composto costituito da due o più bobine (primaria e secondaria) avvolte attorno a un nucleo magnetico comune. La bobina primaria è collegata a una sorgente di corrente alternata, che genera un flusso magnetico alternato nel nucleo. Questo flusso magnetico si collega alla bobina secondaria, inducendo una tensione alternata nella bobina secondaria secondo la legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica.
- Trasformatore a nucleo : in un trasformatore a nucleo, gli avvolgimenti sono posizionati sui rami del nucleo. Il flusso magnetico scorre attraverso il nucleo e si collega sia agli avvolgimenti primari che a quelli secondari. I trasformatori a nucleo sono ampiamente utilizzati nei sistemi di distribuzione e trasmissione di energia grazie alla loro costruzione relativamente semplice e all'elevata efficienza.
- Trasformatore a guscio : in un trasformatore a guscio, gli avvolgimenti circondano il ramo centrale del nucleo. Questa struttura fornisce una migliore schermatura magnetica e riduce il flusso di dispersione tra gli avvolgimenti primario e secondario. I trasformatori a guscio sono spesso utilizzati in applicazioni a bassa potenza, come nei dispositivi elettronici e nelle apparecchiature audio.
4.2 Circuito magnetico del motore a riluttanza
Un motore a riluttanza è un tipo di motore elettrico che funziona secondo il principio della riluttanza magnetica. Il circuito magnetico di un motore a riluttanza è costituito da uno statore con poli salienti e da un rotore con poli salienti. I poli dello statore sono eccitati da un campo magnetico e il rotore cerca di allinearsi con i poli dello statore per ridurre al minimo la riluttanza magnetica del circuito.
La coppia in un motore a riluttanza è data dalla formula , dove è la corrente negli avvolgimenti dello statore, è l'induttanza del motore e è la posizione angolare del rotore. I motori a riluttanza sono semplici nella costruzione, hanno un'elevata affidabilità e sono utilizzati in applicazioni come ventilatori, pompe e alcuni azionamenti industriali.
5. Strutture di circuiti magnetici per scopi speciali
5.1 Circuito magnetico dell'amplificatore magnetico
Un amplificatore magnetico è un dispositivo che sfrutta le proprietà magnetiche non lineari di un nucleo magnetico per amplificare un segnale elettrico. Il circuito magnetico di un amplificatore magnetico è tipicamente costituito da un nucleo con più avvolgimenti, tra cui un avvolgimento di controllo e un avvolgimento di uscita.
Applicando una corrente di controllo all'avvolgimento di controllo, la permeabilità magnetica del nucleo viene modificata, il che a sua volta influenza il flusso magnetico e la tensione indotta nell'avvolgimento di uscita. Gli amplificatori magnetici sono stati ampiamente utilizzati in passato per l'amplificazione e il controllo del segnale in applicazioni come alimentatori e sistemi di controllo motore. Sebbene siano stati ampiamente sostituiti da amplificatori a semiconduttore in molte applicazioni, trovano ancora impiego in alcune applicazioni ad alta potenza e alta affidabilità.
5.2 Circuito magnetico per risonanza magnetica (MRI)
In un sistema di risonanza magnetica (MRI), è necessario un campo magnetico molto intenso e uniforme per allineare gli spin nucleari degli atomi nel corpo umano. Il circuito magnetico di un sistema di risonanza magnetica è costituito da un grande magnete superconduttore, raffreddato a una temperatura molto bassa per raggiungere la superconduttività. Il magnete superconduttore genera un campo magnetico ad alta intensità con una resistenza estremamente bassa.
Il circuito magnetico include anche bobine di gradiente, utilizzate per creare campi magnetici spazialmente variabili per la codifica spaziale dei segnali MRI. La progettazione del circuito magnetico MRI è fondamentale per ottenere immagini di alta qualità e comporta considerazioni quali l'uniformità del campo magnetico, la linearità del campo di gradiente e la sicurezza del paziente.
6. Conclusion
Le strutture circuitali magnetiche più comuni svolgono un ruolo fondamentale in un'ampia gamma di applicazioni elettriche ed elettroniche. Dai semplici solenoidi e induttori toroidali ai complessi trasformatori e sistemi di risonanza magnetica, la progettazione e l'analisi dei circuiti magnetici richiedono una profonda conoscenza dei materiali magnetici, della teoria del campo magnetico e dei principi circuitali.
Ottimizzando le strutture dei circuiti magnetici, gli ingegneri possono migliorare le prestazioni, l'efficienza e l'affidabilità di vari dispositivi. La ricerca futura nella progettazione di circuiti magnetici potrebbe concentrarsi sullo sviluppo di nuovi materiali magnetici, sull'integrazione di circuiti magnetici con dispositivi a semiconduttore e sulla miniaturizzazione di componenti magnetici per applicazioni emergenti come l'elettronica indossabile e la nanotecnologia.
In conclusione, una conoscenza approfondita delle strutture comuni dei circuiti magnetici è essenziale per i professionisti nei settori dell'ingegneria elettrica, dell'elettronica e della fisica applicata, consentendo loro di innovare e far progredire la tecnologia in vari settori.
