Senz Magnet - Producător de materiale globale permanente de magneți & Furnizor peste 20 de ani.
Structuri comune ale circuitelor magnetice
Circuitele magnetice sunt fundamentale în diverse dispozitive electrice și electronice, de la transformatoare și inductoare la motoare și generatoare. Înțelegerea structurilor comune ale circuitelor magnetice este crucială pentru inginerii și oamenii de știință implicați în proiectarea, analiza și optimizarea acestor dispozitive. Acest articol oferă o explorare aprofundată a structurilor comune ale circuitelor magnetice, inclusiv componentele lor de bază, principiile de funcționare și aplicațiile. Acesta acoperă circuite magnetice simple, circuite magnetice compuse și câteva modele de circuite magnetice cu scop special.
1. Introducere
Circuitele magnetice sunt analoage circuitelor electrice, dar în loc să se ocupe de fluxul de curent electric, ele se ocupă de fluxul magnetic. Studiul circuitelor magnetice ajută la înțelegerea modului în care câmpurile magnetice sunt distribuite și controlate în cadrul unui anumit material magnetic și a unei configurații a spațiului de aer. Structurile comune ale circuitelor magnetice sunt proiectate pentru a obține caracteristici specifice ale câmpului magnetic, cum ar fi densitatea mare a fluxului magnetic, scurgerile magnetice reduse și transferul eficient de energie.
2. Componentele de bază ale circuitelor magnetice
2.1 Miez magnetic
Miezul magnetic este partea principală a unui circuit magnetic care oferă o cale cu reluctanță redusă pentru fluxul magnetic. De obicei, este fabricat din materiale feromagnetice, cum ar fi fierul, oțelul sau feritele. Materialele feromagnetice au o permeabilitate magnetică ridicată, ceea ce înseamnă că pot fi ușor magnetizate și demagnetizate. Forma miezului magnetic poate varia foarte mult, incluzând forme cilindrice, dreptunghiulare și toroidale.
- Miez cilindric : Adesea utilizat în solenoizi și unele tipuri de inductoare. Acesta oferă o cale magnetică relativ simplă și simetrică. De exemplu, într-un solenoid simplu, un miez cilindric este plasat în interiorul unei bobine de sârmă. Când un curent electric curge prin bobină, se generează un câmp magnetic, iar fluxul magnetic este concentrat în miezul cilindric.
- Miez dreptunghiular : Se găsește frecvent în transformatoare și la unii senzori magnetici. Forma dreptunghiulară permite stivuirea ușoară a laminărilor pentru a reduce pierderile cauzate de curenții turbionari. Miezurile laminate sunt realizate prin stivuirea foilor subțiri de material magnetic cu un strat izolator între ele. Această structură întrerupe căile curenților turbionari, reducând pierderile de energie datorate curenților turbionari.
- Miez toroidal : Un miez toroidal este un miez magnetic în formă de gogoașă. Are avantajul unei scurgeri magnetice foarte reduse, deoarece fluxul magnetic este complet conținut în miez. Miezurile toroidale sunt utilizate pe scară largă în inductoare și transformatoare de înaltă performanță, în special în aplicații în care este necesară o interferență electromagnetică (EMI) redusă.
2.2 Bobină (Înfășurări)
Bobina, cunoscută și sub denumirea de înfășurări, este o parte esențială a unui circuit magnetic. Aceasta constă dintr-un număr de spire de sârmă înfășurate în jurul miezului magnetic. Atunci când un curent electric trece prin bobină, aceasta generează o forță magnetomotoare (FMM), care este analoagă cu forța electromotoare (FEM) dintr-un circuit electric. FMM este dată de formula , unde este numărul de spire ale bobinei, iar este curentul care trece prin bobină.
- Înfășurări cu un singur strat : În înfășurările cu un singur strat, firul este înfășurat în jurul miezului într-un singur strat. Acest tip de înfășurare este simplu de construit, dar poate avea o inductanță de scurgere relativ mare.
- Înfășurări multistrat : Înfășurările multistrat sunt utilizate pentru a crește numărul de spire într-un spațiu limitat. Acestea pot fi înfășurate în diferite modele, cum ar fi înfășurări elicoidale sau în coș. Înfășurările multistrat pot reduce inductanța de scurgere și pot crește inductanța bobinei, dar pot introduce și o capacitate suplimentară între straturi.
2.3 Spațiu de aer
Un spațiu de aer este o regiune nemagnetică într-un circuit magnetic. Acesta este adesea introdus intenționat în circuitele magnetice din diverse motive, cum ar fi controlul densității fluxului magnetic, asigurarea jocului mecanic sau permiterea mișcării componentelor. Prezența unui spațiu de aer crește reluctanța circuitului magnetic, deoarece aerul are o permeabilitate magnetică mult mai mică în comparație cu materialele feromagnetice.
3. Structuri simple de circuite magnetice
3.1 Circuitul magnetic al solenoidului
Un solenoid este un circuit magnetic simplu, format dintr-un miez cilindric și o bobină de sârmă înfășurată în jurul acestuia. Când un curent continuu (CC) sau un curent alternativ (CA) curge prin bobină, se generează un câmp magnetic de-a lungul axei solenoidului.
- Solenoid de curent continuu : Într-un solenoid de curent continuu, câmpul magnetic este constant atâta timp cât curentul este constant. Densitatea fluxului magnetic din interiorul solenoidului poate fi aproximată cu formula , unde este permeabilitatea spațiului liber ( ), este permeabilitatea relativă a materialului miezului, este numărul de spire pe unitatea de lungime, iar este curentul. Solenoizii de curent continuu sunt utilizați în mod obișnuit în relee, valve și actuatoare.
- Solenoid de curent alternativ : Într-un solenoid de curent alternativ, curentul și câmpul magnetic variază sinusoidal în timp. Inductanța solenoidului joacă un rol important în determinarea relației curent-tensiune. Solenoizii de curent alternativ sunt utilizați în aplicații în care câmpul magnetic trebuie pornit și oprit rapid, cum ar fi în unele tipuri de motoare și întrerupătoare.
3.2 Circuit magnetic cu inductor toroidal
O bobină toroidală este un circuit magnetic cu un miez toroidal și înfășurări înfășurate în jurul acestuia. Forma toroidală asigură că fluxul magnetic este limitat în interiorul miezului, rezultând o scurgere magnetică redusă.
Inductanța a unui inductor toroidal poate fi calculată folosind formula , unde este numărul de spire, este aria secțiunii transversale a miezului, iar este raza medie a toroidului. Inductoarele toroidale sunt utilizate pe scară largă în aplicații de înaltă frecvență, cum ar fi în circuitele de radiofrecvență (RF) și sursele de alimentare, datorită caracteristicilor lor EMI scăzute.
4. Structuri de circuite magnetice compuse
4.1 Circuitul magnetic al transformatorului
Un transformator este un circuit magnetic compus care constă din două sau mai multe bobine (primară și secundară) înfășurate în jurul unui miez magnetic comun. Bobina primară este conectată la o sursă de alimentare de curent alternativ, care generează un flux magnetic alternativ în miez. Acest flux magnetic se leagă de bobina secundară, inducând o tensiune alternativă în bobina secundară conform legii lui Faraday a inducției electromagnetice.
- Transformator cu miez : Într-un transformator cu miez, înfășurările sunt plasate pe membrele miezului. Fluxul magnetic curge prin miez și se leagă atât de înfășurările primare, cât și de cele secundare. Transformatoarele cu miez sunt utilizate pe scară largă în sistemele de distribuție și transmisie a energiei datorită construcției lor relativ simple și eficienței ridicate.
- Transformator de tip carcasă : Într-un transformator de tip carcasă, înfășurările înconjoară ramura centrală a miezului. Această structură oferă o ecranare magnetică mai bună și reduce fluxul de scurgere dintre înfășurările primare și secundare. Transformatoarele de tip carcasă sunt adesea utilizate în aplicații de putere redusă, cum ar fi în dispozitivele electronice și echipamentele audio.
4.2 Circuitul magnetic al motorului cu reluctanță
Un motor cu reluctanță este un tip de motor electric care funcționează pe principiul reluctanței magnetice. Circuitul magnetic al unui motor cu reluctanță este format dintr-un stator cu poli proeminenți și un rotor cu poli proeminenți. Polii statorului sunt excitați de un câmp magnetic, iar rotorul încearcă să se alinieze cu polii statorului pentru a minimiza reluctanța magnetică a circuitului.
Cuplul într-un motor cu reluctanță este dat de formula , unde este curentul în înfășurările statorului, este inductanța motorului, iar este poziția unghiulară a rotorului. Motoarele cu reluctanță au o construcție simplă, au o fiabilitate ridicată și sunt utilizate în aplicații precum ventilatoare, pompe și unele acționări industriale.
5. Structuri de circuite magnetice cu scop special
5.1 Circuit magnetic al amplificatorului magnetic
Un amplificator magnetic este un dispozitiv care utilizează proprietățile magnetice neliniare ale unui miez magnetic pentru a amplifica un semnal electric. Circuitul magnetic al unui amplificator magnetic constă de obicei dintr-un miez cu mai multe înfășurări, inclusiv o înfășurare de control și o înfășurare de ieșire.
Prin aplicarea unui curent de control la înfășurarea de control, permeabilitatea magnetică a miezului este modificată, ceea ce, la rândul său, afectează fluxul magnetic și tensiunea indusă în înfășurarea de ieșire. Amplificatoarele magnetice au fost utilizate pe scară largă în trecut pentru amplificarea și controlul semnalului în aplicații precum sursele de alimentare și sistemele de control al motoarelor. Deși au fost în mare parte înlocuite de amplificatoare pe bază de semiconductori în multe aplicații, acestea își găsesc încă utilizarea în unele aplicații de mare putere și fiabilitate ridicată.
5.2 Circuit magnetic pentru imagistica prin rezonanță magnetică (IRM)
Într-un sistem RMN, este necesar un câmp magnetic foarte puternic și uniform pentru a alinia spinii nucleari ai atomilor din corpul uman. Circuitul magnetic al unui sistem RMN constă dintr-un magnet supraconductor mare, care este răcit la o temperatură foarte scăzută pentru a obține supraconductivitatea. Magnetul supraconductor generează un câmp magnetic de intensitate mare cu o rezistență extrem de scăzută.
Circuitul magnetic include și bobine de gradient, care sunt utilizate pentru a crea câmpuri magnetice variabile în spațiu pentru codificarea spațială a semnalelor RMN. Proiectarea circuitului magnetic RMN este crucială pentru obținerea de imagini de înaltă calitate și implică considerații precum uniformitatea câmpului magnetic, liniaritatea câmpului de gradient și siguranța pacientului.
6. Concluzie
Structurile comune ale circuitelor magnetice joacă un rol vital într-o gamă largă de aplicații electrice și electronice. De la solenoizi simpli și inductoare toroidale la transformatoare complexe și sisteme RMN, proiectarea și analiza circuitelor magnetice necesită o înțelegere aprofundată a materialelor magnetice, a teoriei câmpului magnetic și a principiilor circuitelor.
Prin optimizarea structurilor circuitelor magnetice, inginerii pot îmbunătăți performanța, eficiența și fiabilitatea diverselor dispozitive. Cercetările viitoare în proiectarea circuitelor magnetice se pot concentra pe dezvoltarea de noi materiale magnetice, integrarea circuitelor magnetice cu dispozitive semiconductoare și miniaturizarea componentelor magnetice pentru aplicații emergente, cum ar fi electronica purtabilă și nanotehnologia.
În concluzie, o cunoaștere cuprinzătoare a structurilor comune ale circuitelor magnetice este esențială pentru profesioniștii din domeniile ingineriei electrice, electronicii și fizicii aplicate, permițându-le să inoveze și să dezvolte tehnologia în diverse industrii.
