Veelvoorkomende magnetische circuitstructuren
Magnetische circuits zijn essentieel in diverse elektrische en elektronische apparaten, van transformatoren en inductoren tot motoren en generatoren. Inzicht in de meest voorkomende structuren van magnetische circuits is cruciaal voor ingenieurs en wetenschappers die betrokken zijn bij het ontwerp, de analyse en de optimalisatie van deze apparaten. Dit artikel biedt een diepgaande verkenning van veelvoorkomende structuren van magnetische circuits, inclusief hun basiscomponenten, werkingsprincipes en toepassingen. Het behandelt eenvoudige magnetische circuits, samengestelde magnetische circuits en enkele speciale ontwerpen voor magnetische circuits.
1. Inleiding
Magnetische circuits zijn vergelijkbaar met elektrische circuits, maar in plaats van de stroming van elektrische stroom, werken ze met de stroming van magnetische flux. De studie van magnetische circuits helpt bij het begrijpen hoe magnetische velden worden verdeeld en gecontroleerd binnen een bepaald magnetisch materiaal en een bepaalde luchtspleetconfiguratie. Veelvoorkomende magnetische circuitstructuren zijn ontworpen om specifieke magnetische veldeigenschappen te bereiken, zoals een hoge magnetische fluxdichtheid, lage magnetische lekstroom en efficiënte energieoverdracht.
2. Basiscomponenten van magnetische circuits
2.1 Magnetische kern
De magnetische kern is het belangrijkste onderdeel van een magnetisch circuit dat een pad met lage reluctantie voor de magnetische flux biedt. Deze is meestal gemaakt van ferromagnetische materialen zoals ijzer, staal of ferrieten. Ferromagnetische materialen hebben een hoge magnetische permeabiliteit, wat betekent dat ze gemakkelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd kunnen worden. De vorm van de magnetische kern kan sterk variëren, waaronder cilindrisch, rechthoekig en toroïdaal.
- Cilindrische kern : Wordt vaak gebruikt in solenoïden en sommige soorten inductoren. Het biedt een relatief eenvoudig en symmetrisch magnetisch pad. In een eenvoudige solenoïde is bijvoorbeeld een cilindrische kern in een draadspoel geplaatst. Wanneer er een elektrische stroom door de spoel loopt, wordt een magnetisch veld gegenereerd en concentreert de magnetische flux zich in de cilindrische kern.
- Rechthoekige kern : Veelgebruikt in transformatoren en sommige magnetische sensoren. De rechthoekige vorm maakt het eenvoudig om lamineringen te stapelen om wervelstroomverliezen te verminderen. Gelamineerde kernen worden gemaakt door dunne lagen magnetisch materiaal te stapelen met een isolerende laag ertussen. Deze structuur onderbreekt de wervelstroompaden en vermindert zo het energieverlies door wervelstromen.
- Ringkern : Een ringkern is een magnetische kern in de vorm van een donut. Deze kern heeft als voordeel een zeer lage magnetische lekstroom, omdat de magnetische flux volledig in de kern wordt ingesloten. Ringkernen worden veel gebruikt in hoogwaardige inductoren en transformatoren, met name in toepassingen waar een lage elektromagnetische interferentie (EMI) vereist is.
2.2 Spoel (wikkelingen)
De spoel, ook wel wikkeling genoemd, is een essentieel onderdeel van een magnetisch circuit. Hij bestaat uit een aantal windingen van draad die om de magnetische kern gewikkeld zijn. Wanneer er een elektrische stroom door de spoel loopt, genereert deze een magnetomotive kracht (MMF), die analoog is aan de elektromotorische kracht (EMF) in een elektrisch circuit. De MMF wordt gegeven door de formule , waarbij het aantal windingen van de spoel is en de stroom die door de spoel loopt.
- Enkellaagswikkelingen : Bij enkellaagswikkelingen is de draad in één laag om de kern gewikkeld. Dit type wikkeling is eenvoudig te construeren, maar kan een relatief grote lekinductantie hebben.
- Meerlaagse wikkelingen : Meerlaagse wikkelingen worden gebruikt om het aantal windingen in een beperkte ruimte te vergroten. Ze kunnen in verschillende patronen worden gewikkeld, zoals spiraal- of mandwikkelingen. Meerlaagse wikkelingen kunnen de lekinductantie verminderen en de inductantie van de spoel verhogen, maar ze kunnen ook extra capaciteit tussen de lagen creëren.
2.3 Luchtspleet
Een luchtspleet is een niet-magnetisch gebied in een magnetisch circuit. Het wordt vaak opzettelijk in magnetische circuits geïntroduceerd om verschillende redenen, zoals het regelen van de magnetische fluxdichtheid, het creëren van mechanische speling of het mogelijk maken van de beweging van componenten. De aanwezigheid van een luchtspleet vergroot de reluctantie van het magnetische circuit, omdat lucht een veel lagere magnetische permeabiliteit heeft dan ferromagnetische materialen.
3. Eenvoudige magnetische circuitstructuren
3.1 Solenoïde magnetisch circuit
Een solenoïde is een eenvoudig magnetisch circuit bestaande uit een cilindrische kern en een daaromheen gewikkelde spoel van draad. Wanneer er gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC) door de spoel loopt, ontstaat er een magnetisch veld langs de as van de solenoïde.
- DC-solenoïde : In een DC-solenoïde is het magnetische veld stabiel zolang de stroom constant is. De magnetische fluxdichtheid in de solenoïde kan worden benaderd met de formule , waarbij de permeabiliteit van de vrije ruimte is ( ), de relatieve permeabiliteit van het kernmateriaal, het aantal windingen per lengte-eenheid en de stroom. DC-solenoïden worden vaak gebruikt in relais, kleppen en actuatoren.
- AC-solenoïde : In een AC-solenoïde variëren de stroom en het magnetische veld sinusvormig met de tijd. De inductantie van de solenoïde speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de stroom-spanningsverhouding. AC-solenoïden worden gebruikt in toepassingen waarbij het magnetische veld snel moet worden in- en uitgeschakeld, zoals in sommige typen motoren en schakelaars.
3.2 Magnetisch circuit met toroïdale inductor
Een toroïdale spoel is een magnetisch circuit met een toroïdale kern en daaromheen gewikkelde wikkelingen. De toroïdale vorm zorgt ervoor dat de magnetische flux binnen de kern wordt gehouden, wat resulteert in een lage magnetische lekstroom.
De inductantie van een toroïdale spoel kan worden berekend met de formule , waarbij het aantal windingen is, de dwarsdoorsnede van de kern en de gemiddelde straal van de toroïde. Toroïdale spoel worden veel gebruikt in hoogfrequente toepassingen, zoals in radiofrequentie (RF) circuits en voedingen, vanwege hun lage elektromagnetische interferentie (EMI).
4. Samengestelde magnetische circuitstructuren
4.1 Transformator magnetisch circuit
Een transformator is een samengesteld magnetisch circuit dat bestaat uit twee of meer spoelen (primaire en secundaire) die rond een gemeenschappelijke magnetische kern zijn gewikkeld. De primaire spoel is aangesloten op een wisselstroombron, die een wisselende magnetische flux in de kern genereert. Deze magnetische flux verbindt zich met de secundaire spoel en induceert een wisselspanning in de secundaire spoel, volgens de wet van Faraday inzake elektromagnetische inductie.
- Kerntransformator : Bij een kerntransformator zijn de wikkelingen op de uiteinden van de kern geplaatst. De magnetische flux stroomt door de kern en verbindt zich met zowel de primaire als de secundaire wikkelingen. Kerntransformatoren worden veel gebruikt in elektriciteitsdistributie- en transmissiesystemen vanwege hun relatief eenvoudige constructie en hoge efficiëntie.
- Shell-type transformator : Bij een shell-type transformator omringen de wikkelingen het centrale deel van de kern. Deze structuur zorgt voor een betere magnetische afscherming en vermindert de lekflux tussen de primaire en secundaire wikkelingen. Shell-type transformatoren worden vaak gebruikt in toepassingen met een laag vermogen, zoals in elektronische apparaten en audioapparatuur.
4.2 Magnetisch circuit van reluctantiemotor
Een reluctantiemotor is een elektromotor die werkt volgens het principe van magnetische reluctantie. Het magnetische circuit van een reluctantiemotor bestaat uit een stator met uitspringende polen en een rotor met uitspringende polen. De statorpolen worden aangestuurd door een magnetisch veld en de rotor probeert zich uit te lijnen met de statorpolen om de magnetische reluctantie van het circuit te minimaliseren.
Het koppel van een reluctantiemotor wordt gegeven door de formule , waarbij de stroomsterkte in de statorwikkelingen is, de inductantie van de motor en de hoekpositie van de rotor. Reluctantiemotoren zijn eenvoudig van constructie, zeer betrouwbaar en worden gebruikt in toepassingen zoals ventilatoren, pompen en sommige industriële aandrijvingen.
5. Speciale magnetische circuitstructuren
5.1 Magnetische versterker Magnetisch circuit
Een magnetische versterker is een apparaat dat de niet-lineaire magnetische eigenschappen van een magnetische kern gebruikt om een elektrisch signaal te versterken. Het magnetische circuit van een magnetische versterker bestaat doorgaans uit een kern met meerdere wikkelingen, waaronder een stuurwikkeling en een uitgangswikkeling.
Door een stuurstroom op de stuurwikkeling aan te leggen, verandert de magnetische permeabiliteit van de kern, wat op zijn beurt de magnetische flux en de geïnduceerde spanning in de uitgangswikkeling beïnvloedt. Magnetische versterkers werden in het verleden veel gebruikt voor signaalversterking en -regeling in toepassingen zoals voedingen en motorregelsystemen. Hoewel ze in veel toepassingen grotendeels zijn vervangen door halfgeleiderversterkers, worden ze nog steeds gebruikt in sommige toepassingen met een hoog vermogen en een hoge betrouwbaarheid.
5.2 Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) Magnetisch circuit
In een MRI-systeem is een zeer sterk en gelijkmatig magnetisch veld nodig om de kernspins van de atomen in het menselijk lichaam uit te lijnen. Het magnetische circuit van een MRI-systeem bestaat uit een grote supergeleidende magneet, die tot een zeer lage temperatuur wordt afgekoeld om supergeleiding te bereiken. De supergeleidende magneet genereert een magnetisch veld met hoge intensiteit en een extreem lage weerstand.
Het magnetische circuit omvat ook gradiëntspoelen, die worden gebruikt om ruimtelijk variërende magnetische velden te creëren voor ruimtelijke codering van de MRI-signalen. Het ontwerp van het magnetische MRI-circuit is cruciaal voor het verkrijgen van hoogwaardige beelden en omvat aspecten zoals uniformiteit van het magnetische veld, lineariteit van het gradiëntveld en patiëntveiligheid.
6. Conclusie
Veelvoorkomende magnetische circuitstructuren spelen een cruciale rol in een breed scala aan elektrische en elektronische toepassingen. Van eenvoudige solenoïden en toroïdale spoelen tot complexe transformatoren en MRI-systemen: het ontwerp en de analyse van magnetische circuits vereisen een diepgaande kennis van magnetische materialen, magnetische veldtheorie en circuitprincipes.
Door de structuren van magnetische circuits te optimaliseren, kunnen ingenieurs de prestaties, efficiëntie en betrouwbaarheid van diverse apparaten verbeteren. Toekomstig onderzoek naar het ontwerp van magnetische circuits kan zich richten op de ontwikkeling van nieuwe magnetische materialen, de integratie van magnetische circuits met halfgeleidercomponenten en de miniaturisatie van magnetische componenten voor opkomende toepassingen zoals draagbare elektronica en nanotechnologie.
Concluderend kunnen we stellen dat een uitgebreide kennis van algemene magnetische circuitstructuren essentieel is voor professionals in de elektrotechniek, elektronica en toegepaste natuurkunde. Hiermee kunnen ze innoveren en technologie in verschillende sectoren verder ontwikkelen.
