Senz Magnet - Globálny výrobca trvalých magnetov & Dodávateľ viac ako 20 rokov.
Bežné štruktúry magnetických obvodov
Magnetické obvody sú základom rôznych elektrických a elektronických zariadení, od transformátorov a induktorov až po motory a generátory. Pochopenie bežných štruktúr magnetických obvodov je kľúčové pre inžinierov a vedcov zapojených do návrhu, analýzy a optimalizácie týchto zariadení. Tento článok poskytuje hĺbkový prieskum bežných štruktúr magnetických obvodov vrátane ich základných komponentov, princípov fungovania a aplikácií. Zahŕňa jednoduché magnetické obvody, zložené magnetické obvody a niektoré špeciálne konštrukcie magnetických obvodov.
1. Úvod
Magnetické obvody sú analogické s elektrickými obvodmi, ale namiesto toho, aby sa zaoberali tokom elektrického prúdu, sa zaoberajú tokom magnetického toku. Štúdium magnetických obvodov pomáha pochopiť, ako sú magnetické polia rozložené a riadené v danom magnetickom materiáli a konfigurácii vzduchovej medzery. Bežné štruktúry magnetických obvodov sú navrhnuté tak, aby sa dosiahli špecifické charakteristiky magnetického poľa, ako je vysoká hustota magnetického toku, nízky magnetický únik a efektívny prenos energie.
2. Základné komponenty magnetických obvodov
2.1 Magnetické jadro
Magnetické jadro je hlavnou časťou magnetického obvodu, ktorá poskytuje dráhu s nízkou reluktanciou pre magnetický tok. Zvyčajne je vyrobené z feromagnetických materiálov, ako je železo, oceľ alebo ferity. Feromagnetické materiály majú vysokú magnetickú permeabilitu, čo znamená, že sa dajú ľahko zmagnetizovať a demagnetizovať. Tvar magnetického jadra sa môže značne líšiť, vrátane valcových, obdĺžnikových a toroidných tvarov.
- Valcové jadro : Často sa používa v solenoidoch a niektorých typoch induktorov. Poskytuje relatívne jednoduchú a symetrickú magnetickú dráhu. Napríklad v jednoduchom solenoide je valcové jadro umiestnené vo vnútri cievky z drôtu. Keď cievkou preteká elektrický prúd, generuje sa magnetické pole a magnetický tok sa sústreďuje vo vnútri valcového jadra.
- Obdĺžnikové jadro : Bežne sa vyskytuje v transformátoroch a niektorých magnetických senzoroch. Obdĺžnikový tvar umožňuje jednoduché stohovanie lamiel, aby sa znížili straty vírivými prúdmi. Laminované jadrá sa vyrábajú stohovaním tenkých vrstiev magnetického materiálu s izolačnou vrstvou medzi nimi. Táto štruktúra prerušuje dráhy vírivých prúdov, čím sa znižujú straty energie spôsobené vírivými prúdmi.
- Toroidné jadro : Toroidné jadro je magnetické jadro v tvare šišky. Jeho výhodou je veľmi nízky magnetický rozptyl, pretože magnetický tok je úplne obsiahnutý v jadre. Toroidné jadrá sa široko používajú vo vysokovýkonných induktoroch a transformátoroch, najmä v aplikáciách, kde sa vyžaduje nízke elektromagnetické rušenie (EMI).
2.2 Cievka (vinutia)
Cievka, známa aj ako vinutie, je základnou súčasťou magnetického obvodu. Pozostáva z viacerých závitov drôtu omotaného okolo magnetického jadra. Keď cievkou preteká elektrický prúd, generuje magnetomotorickú silu (MMF), ktorá je analogická s elektromotorickou silou (EMF) v elektrickom obvode. MMF sa dajú vzorcom , kde je počet závitov cievky a je prúd pretekajúci cievkou.
- Jednovrstvové vinutia : V jednovrstvových vinutiach je drôt navinutý okolo jadra v jednej vrstve. Tento typ vinutia sa jednoducho konštruuje, ale môže mať relatívne veľkú rozptylovú indukčnosť.
- Viacvrstvové vinutia : Viacvrstvové vinutia sa používajú na zvýšenie počtu závitov v obmedzenom priestore. Môžu byť navinuté v rôznych vzoroch, ako sú špirálové alebo košové vinutia. Viacvrstvové vinutia môžu znížiť rozptylovú indukčnosť a zvýšiť indukčnosť cievky, ale môžu tiež zaviesť dodatočnú kapacitu medzi vrstvami.
2.3 Vzduchová medzera
Vzduchová medzera je nemagnetická oblasť v magnetickom obvode. Často sa zámerne zavádza do magnetických obvodov z rôznych dôvodov, ako je riadenie hustoty magnetického toku, zabezpečenie mechanickej vôle alebo umožnenie pohybu súčiastok. Prítomnosť vzduchovej medzery zvyšuje reluktanciu magnetického obvodu, pretože vzduch má oveľa nižšiu magnetickú permeabilitu v porovnaní s feromagnetickými materiálmi.
3. Jednoduché štruktúry magnetických obvodov
3.1 Magnetický obvod solenoidu
Solenoid je jednoduchý magnetický obvod pozostávajúci z valcového jadra a cievky z drôtu navinutej okolo neho. Keď cievkou preteká jednosmerný (DC) alebo striedavý (AC) prúd, pozdĺž osi solenoidu sa generuje magnetické pole.
- DC solenoid : V DC solenoide je magnetické pole stabilné, pokiaľ je prúd konštantný. Hustotu magnetického toku vo vnútri solenoidu možno aproximovať vzorcom , kde je permeabilita voľného priestoru ( ), je relatívna permeabilita materiálu jadra, je počet závitov na jednotku dĺžky a je prúd. DC solenoidy sa bežne používajú v relé, ventiloch a ovládačoch.
- Solenoid striedavého prúdu : V solenoidu striedavého prúdu sa prúd a magnetické pole s časom menia sínusoidne. Indukčnosť solenoidu hrá dôležitú úlohu pri určovaní vzťahu medzi prúdom a napätím. Solenoidy striedavého prúdu sa používajú v aplikáciách, kde je potrebné magnetické pole rýchlo zapínať a vypínať, napríklad v niektorých typoch motorov a spínačov.
3.2 Magnetický obvod toroidného induktora
Toroidná cievka je magnetický obvod s toroidným jadrom a vinutiami omotanými okolo neho. Toroidný tvar zaisťuje, že magnetický tok je obmedzený v jadre, čo vedie k nízkemu magnetickému úniku.
Indukčnosť toroidného induktora sa dá vypočítať pomocou vzorca , kde je počet závitov, je plocha prierezu jadra a je stredný polomer toroidu. Toroidné induktory sa vďaka svojim nízkym charakteristikám EMI široko používajú vo vysokofrekvenčných aplikáciách, ako sú napríklad rádiofrekvenčné (RF) obvody a napájacie zdroje.
4. Štruktúry zložených magnetických obvodov
4.1 Magnetický obvod transformátora
Transformátor je zložený magnetický obvod, ktorý pozostáva z dvoch alebo viacerých cievok (primárnej a sekundárnej) navinutých okolo spoločného magnetického jadra. Primárna cievka je pripojená k zdroju striedavého prúdu, ktorý generuje striedavý magnetický tok v jadre. Tento magnetický tok sa spája so sekundárnou cievkou a indukuje v sekundárnej cievke striedavé napätie podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie.
- Transformátor s jadrom : V transformátore s jadrom sú vinutia umiestnené na ramenách jadra. Magnetický tok preteká jadrom a je spojený s primárnym aj sekundárnym vinutím. Transformátory s jadrom sa vďaka svojej relatívne jednoduchej konštrukcii a vysokej účinnosti široko používajú v systémoch rozvodu a prenosu energie.
- Plášťový transformátor : V plášťovom transformátore vinutia obklopujú centrálnu časť jadra. Táto štruktúra poskytuje lepšie magnetické tienenie a znižuje rozptylový tok medzi primárnym a sekundárnym vinutím. Plášťové transformátory sa často používajú v aplikáciách s nízkym výkonom, ako sú elektronické zariadenia a audio zariadenia.
4.2 Magnetický obvod reluktančného motora
Reluktančný motor je typ elektromotora, ktorý pracuje na princípe magnetickej reluktancie. Magnetický obvod reluktančného motora pozostáva zo statora s vyčnievajúcimi pólmi a rotora s vyčnievajúcimi pólmi. Póly statora sú budené magnetickým poľom a rotor sa snaží zarovnať s pólmi statora, aby minimalizoval magnetickú reluktanciu obvodu.
Krútiaci moment v reluktančnom motore je daný vzorcom , kde je prúd vo vinutiach statora, je indukčnosť motora a je uhlová poloha rotora. Reluktančné motory sú jednoduchej konštrukcie, majú vysokú spoľahlivosť a používajú sa v aplikáciách, ako sú ventilátory, čerpadlá a niektoré priemyselné pohony.
5. Štruktúry magnetických obvodov na špeciálne účely
5.1 Magnetický zosilňovač Magnetický obvod
Magnetický zosilňovač je zariadenie, ktoré využíva nelineárne magnetické vlastnosti magnetického jadra na zosilnenie elektrického signálu. Magnetický obvod magnetického zosilňovača sa zvyčajne skladá z jadra s viacerými vinutiami vrátane riadiaceho vinutia a výstupného vinutia.
Privedením riadiaceho prúdu do riadiaceho vinutia sa zmení magnetická permeabilita jadra, čo následne ovplyvňuje magnetický tok a indukované napätie vo výstupnom vinutí. Magnetické zosilňovače sa v minulosti hojne používali na zosilnenie a riadenie signálu v aplikáciách, ako sú napájacie zdroje a systémy riadenia motorov. Hoci boli v mnohých aplikáciách do značnej miery nahradené zosilňovačmi na báze polovodičov, stále nachádzajú uplatnenie v niektorých aplikáciách s vysokým výkonom a vysokou spoľahlivosťou.
5.2 Magnetický obvod magnetickej rezonancie (MRI)
V systéme magnetickej rezonancie (MRI) je na zarovnanie jadrových spinov atómov v ľudskom tele potrebné veľmi silné a rovnomerné magnetické pole. Magnetický obvod systému MRI pozostáva z veľkého supravodivého magnetu, ktorý je ochladený na veľmi nízku teplotu, aby sa dosiahla supravodivosť. Supravodivý magnet generuje magnetické pole s vysokou intenzitou a extrémne nízkym odporom.
Magnetický obvod obsahuje aj gradientové cievky, ktoré sa používajú na vytváranie priestorovo premenlivých magnetických polí pre priestorové kódovanie signálov MRI. Návrh magnetického obvodu MRI je kľúčový pre získanie vysokokvalitných snímok a zahŕňa faktory, ako je uniformita magnetického poľa, linearita gradientového poľa a bezpečnosť pacienta.
6. Záver
Bežné štruktúry magnetických obvodov zohrávajú dôležitú úlohu v širokej škále elektrických a elektronických aplikácií. Od jednoduchých solenoidov a toroidných induktorov až po zložité transformátory a systémy MRI, návrh a analýza magnetických obvodov si vyžaduje hlboké pochopenie magnetických materiálov, teórie magnetického poľa a princípov obvodov.
Optimalizáciou štruktúr magnetických obvodov môžu inžinieri zlepšiť výkon, účinnosť a spoľahlivosť rôznych zariadení. Budúci výskum v oblasti návrhu magnetických obvodov sa môže zamerať na vývoj nových magnetických materiálov, integráciu magnetických obvodov s polovodičovými súčiastkami a miniaturizáciu magnetických komponentov pre vznikajúce aplikácie, ako je nositeľná elektronika a nanotechnológia.
Záverom možno povedať, že komplexná znalosť bežných štruktúr magnetických obvodov je nevyhnutná pre odborníkov v oblastiach elektrotechniky, elektroniky a aplikovanej fyziky, čo im umožňuje inovovať a rozvíjať technológie v rôznych odvetviach.
