Senz Magnet - Глобальный производитель материалов для постоянных магнитов & Поставщик более 20 лет.
Распространенные структуры магнитных цепей
Магнитные цепи играют основополагающую роль в различных электрических и электронных устройствах, от трансформаторов и индукторов до двигателей и генераторов. Понимание распространённых структур магнитных цепей крайне важно для инженеров и учёных, занимающихся проектированием, анализом и оптимизацией этих устройств. В данной статье подробно рассматриваются распространённые структуры магнитных цепей, включая их основные компоненты, принципы работы и области применения. В статье рассматриваются простые магнитные цепи, составные магнитные цепи и некоторые магнитные цепи специального назначения.
1. Введение
Магнитные цепи аналогичны электрическим цепям, но вместо электрического тока они работают с магнитным потоком. Изучение магнитных цепей помогает понять, как распределяются и контролируются магнитные поля в заданном магнитном материале и конфигурации воздушного зазора. Обычные структуры магнитных цепей разрабатываются для достижения определённых характеристик магнитного поля, таких как высокая плотность магнитного потока, низкий уровень магнитного рассеяния и эффективная передача энергии.
2. Основные компоненты магнитных цепей
2.1 Магнитный сердечник
Магнитопровод — это основная часть магнитной цепи, обеспечивающая путь магнитного потока с низким магнитным сопротивлением. Обычно он изготавливается из ферромагнитных материалов, таких как железо, сталь или ферриты. Ферромагнитные материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, что означает их лёгкость намагничивания и размагничивания. Форма магнитопровода может быть различной: цилиндрической, прямоугольной и тороидальной.
- Цилиндрический сердечник : часто используется в соленоидах и некоторых типах катушек индуктивности. Он обеспечивает относительно простой и симметричный магнитный путь. Например, в простом соленоиде цилиндрический сердечник помещён внутрь катушки с проволокой. При протекании электрического тока через катушку создаётся магнитное поле, и магнитный поток концентрируется внутри цилиндрического сердечника.
- Прямоугольный сердечник : обычно используется в трансформаторах и некоторых магнитных датчиках. Прямоугольная форма позволяет легко укладывать пластины друг на друга для снижения потерь на вихревые токи. Ламинированные сердечники изготавливаются путём укладки тонких листов магнитного материала с изолирующим слоем между ними. Такая структура прерывает пути вихревых токов, снижая потери энергии из-за вихревых токов.
- Тороидальный сердечник : Тороидальный сердечник представляет собой магнитопровод в форме пончика. Его преимущество заключается в очень низком рассеянии магнитного поля, поскольку магнитный поток полностью сосредоточен внутри сердечника. Тороидальные сердечники широко используются в высокопроизводительных катушках индуктивности и трансформаторах, особенно там, где требуется низкий уровень электромагнитных помех (ЭМП).
2.2 Катушка (обмотки)
Катушка, также известная как обмотка, является неотъемлемой частью магнитной цепи. Она состоит из нескольких витков провода, намотанных на магнитопровод. При протекании электрического тока через катушку возникает магнитодвижущая сила (МДС), которая аналогична электродвижущей силе (ЭДС) в электрической цепи. МДС вычисляется по формуле , где — число витков катушки, а — ток, протекающий через катушку.
- Однослойные обмотки : в однослойных обмотках провод намотан вокруг сердечника в один слой. Такая обмотка проста в изготовлении, но может иметь относительно большую индуктивность рассеяния.
- Многослойные обмотки : Многослойные обмотки используются для увеличения числа витков в ограниченном пространстве. Они могут быть намотаны по разным схемам, например, спирально или корзинчато. Многослойные обмотки могут уменьшить индуктивность рассеяния и увеличить индуктивность катушки, но также могут привести к появлению дополнительной ёмкости между слоями.
2.3 Воздушный зазор
Воздушный зазор — это немагнитная область в магнитной цепи. Он часто намеренно вводится в магнитные цепи по разным причинам, например, для управления плотностью магнитного потока, обеспечения механического зазора или обеспечения перемещения компонентов. Наличие воздушного зазора увеличивает магнитное сопротивление магнитной цепи, поскольку воздух имеет значительно более низкую магнитную проницаемость по сравнению с ферромагнитными материалами.
3. Простые структуры магнитных цепей
3.1 Магнитная цепь соленоида
Соленоид — это простая магнитная цепь, состоящая из цилиндрического сердечника и намотанной на него катушки. При протекании через катушку постоянного (DC) или переменного (AC) тока вдоль оси соленоида возникает магнитное поле.
- Соленоид постоянного тока : В соленоиде постоянного тока магнитное поле постоянно, пока ток постоянен. Плотность магнитного потока внутри соленоида можно приблизительно рассчитать по формуле , где — магнитная проницаемость вакуума ( ), — относительная магнитная проницаемость материала сердечника, — число витков на единицу длины, а — сила тока. Соленоиды постоянного тока обычно используются в реле, клапанах и приводах.
- Соленоид переменного тока : В соленоиде переменного тока ток и магнитное поле изменяются синусоидально во времени. Индуктивность соленоида играет важную роль в определении соотношения тока и напряжения. Соленоиды переменного тока используются в устройствах, где требуется быстрое включение и выключение магнитного поля, например, в некоторых типах двигателей и переключателей.
3.2 Магнитная цепь тороидального индуктора
Тороидальный индуктор представляет собой магнитную цепь с тороидальным сердечником и намотанными на него обмотками. Тороидальная форма обеспечивает ограничение магнитного потока внутри сердечника, что обеспечивает низкий уровень рассеяния магнитного поля.
Индуктивность тороидальной катушки индуктивности можно рассчитать по формуле , где — число витков, — площадь поперечного сечения сердечника, а — средний радиус тороида. Тороидальные катушки индуктивности широко используются в высокочастотных приложениях, таких как радиочастотные (РЧ) схемы и источники питания, благодаря своим низким электромагнитным помехам.
4. Составные магнитные цепи
4.1 Магнитная цепь трансформатора
Трансформатор представляет собой сложную магнитную цепь, состоящую из двух или более катушек (первичной и вторичной), намотанных вокруг общего магнитного сердечника. Первичная катушка подключена к источнику переменного тока, который создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, взаимодействуя с вторичной катушкой, индуцирует во вторичной катушке переменное напряжение в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея.
- Стержневой трансформатор : В стержневом трансформаторе обмотки расположены на стержнях сердечника. Магнитный поток проходит через сердечник и взаимодействует как с первичной, так и с вторичной обмотками. Стержневые трансформаторы широко используются в системах распределения и передачи электроэнергии благодаря своей относительно простой конструкции и высокому КПД.
- Броневой трансформатор : В броневом трансформаторе обмотки располагаются вокруг центрального стержня сердечника. Такая конструкция обеспечивает лучшее магнитное экранирование и уменьшает поток рассеяния между первичной и вторичной обмотками. Броневые трансформаторы часто используются в маломощных устройствах, например, в электронных устройствах и аудиоаппаратуре.
4.2 Магнитная цепь реактивного двигателя
Реактивный двигатель — это тип электродвигателя, работающего по принципу магнитного сопротивления. Магнитная цепь реактивного двигателя состоит из статора с явно выраженными полюсами и ротора с явно выраженными полюсами. Полюса статора возбуждаются магнитным полем, а ротор стремится совместиться с полюсами статора, чтобы минимизировать магнитное сопротивление цепи.
Крутящий момент реактивного двигателя определяется по формуле , где — ток в обмотках статора, — индуктивность двигателя, а — угловое положение ротора. Реактивные двигатели просты по конструкции, обладают высокой надёжностью и используются в таких устройствах, как вентиляторы, насосы и некоторые промышленные приводы.
5. Магнитные цепи специального назначения
5.1 Магнитная цепь магнитного усилителя
Магнитный усилитель — это устройство, использующее нелинейные магнитные свойства магнитного сердечника для усиления электрического сигнала. Магнитная цепь магнитного усилителя обычно состоит из сердечника с несколькими обмотками, включая управляющую и выходную.
При подаче управляющего тока на обмотку управления изменяется магнитная проницаемость сердечника, что, в свою очередь, влияет на магнитный поток и наведённое напряжение в выходной обмотке. Магнитные усилители широко применялись в прошлом для усиления и управления сигналами в таких приложениях, как источники питания и системы управления двигателями. Хотя во многих приложениях их в значительной степени вытеснили полупроводниковые усилители, они всё ещё находят применение в некоторых мощных и надёжных системах.
5.2 Магнитно-резонансная томография (МРТ) Магнитная цепь
В системе МРТ для выравнивания ядерных спинов атомов человеческого тела требуется очень сильное и однородное магнитное поле. Магнитная цепь системы МРТ состоит из большого сверхпроводящего магнита, который охлаждается до очень низкой температуры для достижения сверхпроводимости. Сверхпроводящий магнит создает магнитное поле высокой интенсивности с чрезвычайно низким сопротивлением.
Магнитная цепь также включает градиентные катушки, которые используются для создания пространственно-переменных магнитных полей для пространственного кодирования сигналов МРТ. Конструкция магнитной цепи МРТ имеет решающее значение для получения высококачественных изображений и учитывает такие факторы, как однородность магнитного поля, линейность градиентного поля и безопасность пациента.
6. Заключение
Распространенные структуры магнитных цепей играют важную роль в широком спектре электрических и электронных приложений. От простых соленоидов и тороидальных катушек индуктивности до сложных трансформаторов и систем МРТ – проектирование и анализ магнитных цепей требуют глубокого понимания магнитных материалов, теории магнитного поля и принципов работы цепей.
Оптимизируя структуру магнитных цепей, инженеры могут повысить производительность, эффективность и надежность различных устройств. Дальнейшие исследования в области проектирования магнитных цепей могут быть сосредоточены на разработке новых магнитных материалов, интеграции магнитных цепей с полупроводниковыми приборами и миниатюризации магнитных компонентов для новых приложений, таких как носимая электроника и нанотехнологии.
В заключение следует отметить, что всестороннее знание распространенных структур магнитных цепей необходимо для специалистов в области электротехники, электроники и прикладной физики, поскольку позволяет им внедрять инновации и совершенствовать технологии в различных отраслях.
