Сенз Магнет - Глобални стални магнетски произвођач материјала & Добављач током 20 година.
Уобичајене структуре магнетних кола
Магнетна кола су фундаментална у разним електричним и електронским уређајима, од трансформатора и индуктора до мотора и генератора. Разумевање уобичајених структура магнетних кола је кључно за инжењере и научнике који се баве пројектовањем, анализом и оптимизацијом ових уређаја. Овај чланак пружа детаљно истраживање уобичајених структура магнетних кола, укључујући њихове основне компоненте, принципе рада и примене. Обухвата једноставна магнетна кола, сложена магнетна кола и неке дизајне магнетних кола за посебне намене.
1. Увод
Магнетна кола су аналогна електричним колима, али уместо да се баве протоком електричне струје, она се баве протоком магнетног флукса. Проучавање магнетних кола помаже у разумевању како се магнетна поља распоређују и контролишу унутар датог магнетног материјала и конфигурације ваздушног зазора. Уобичајене структуре магнетних кола су дизајниране да постигну специфичне карактеристике магнетног поља, као што су висока густина магнетног флукса, ниско магнетно цурење и ефикасан пренос енергије.
2. Основне компоненте магнетних кола
2.1 Магнетно језгро
Магнетно језгро је главни део магнетног кола који обезбеђује путању са ниском релукцијом за магнетни флукс. Обично је направљено од феромагнетних материјала као што су гвожђе, челик или ферити. Феромагнетни материјали имају високу магнетну пермеабилност, што значи да се лако могу магнетизовати и демагнетизовати. Облик магнетног језгра може значајно варирати, укључујући цилиндричне, правоугаоне и тороидалне облике.
- Цилиндрично језгро : Често се користи у соленоидима и неким врстама индуктора. Омогућава релативно једноставну и симетричну магнетну путању. На пример, код једноставног соленоида, цилиндрично језгро се налази унутар калема жице. Када електрична струја протиче кроз калем, генерише се магнетно поље, а магнетни флукс је концентрисан унутар цилиндричног језгра.
- Правоугаоно језгро : Често се налази у трансформаторима и неким магнетним сензорима. Правоугаони облик омогућава лако слагање ламината како би се смањили губици вртложних струја. Ламинирана језгра се праве слагањем танких листова магнетног материјала са изолационим слојем између њих. Ова структура прекида путање вртложних струја, смањујући губитке енергије услед вртложних струја.
- Тороидално језгро : Тороидално језгро је магнетно језгро у облику крофне. Његова предност је веома ниско магнетно цурење јер је магнетни флукс потпуно садржан унутар језгра. Тороидална језгра се широко користе у високоперформансним индукторима и трансформаторима, посебно у применама где је потребна ниска електромагнетна сметња (ЕМИ).
2.2 Намотаји
Калем, такође познат као намотаји, је суштински део магнетног кола. Састоји се од одређеног броја намотаја жице обмотаних око магнетног језгра. Када електрична струја протиче кроз калем, она генерише магнетомоторну силу (МСС), која је аналогна електромоторној сили (ЕМС) у електричном колу. МСС је дата формулом , где је број намотаја калема, а је струја која тече кроз калем.
- Једнослојни намотаји : Код једнослојних намотаја, жица је намотана око језгра у једном слоју. Ова врста намотаја је једноставна за конструисање, али може имати релативно велику индуктивност цурења.
- Вишеслојни намотаји : Вишеслојни намотаји се користе за повећање броја намотаја у ограниченом простору. Могу се намотати у различитим обрасцима, као што су спирални или корпасти намотаји. Вишеслојни намотаји могу смањити индуктивност цурења и повећати индуктивност калема, али могу и увести додатну капацитивност између слојева.
2.3 Ваздушни зазор
Ваздушни зазор је немагнетна област у магнетном колу. Често се намерно уводи у магнетна кола из различитих разлога, као што су контрола густине магнетног флукса, обезбеђивање механичког зазора или омогућавање кретања компоненти. Присуство ваздушног зазора повећава релуктност магнетног кола јер ваздух има много мању магнетну пермеабилност у поређењу са феромагнетним материјалима.
3. Једноставне структуре магнетних кола
3.1 Магнетно коло соленоида
Соленоид је једноставно магнетно коло које се састоји од цилиндричног језгра и калема жице намотаног око њега. Када једносмерна (DC) или наизменична (AC) струја протиче кроз калем, дуж осе соленоида се генерише магнетно поље.
- Једносмерни соленоид : У једносмерном соленоиду, магнетно поље је стабилно све док је струја константна. Густина магнетног флукса унутар соленоида може се апроксимирати формулом , где је пермеабилност слободног простора ( ), је релативна пермеабилност материјала језгра, је број намотаја по јединици дужине, а је струја. Једносмерни соленоиди се обично користе у релејима, вентилима и актуаторима.
- АЦ соленоид : Код АЦ соленоида, струја и магнетно поље се мењају синусоидно са временом. Индуктивност соленоида игра важну улогу у одређивању односа струје и напона. АЦ соленоиди се користе у применама где је потребно брзо укључивање и искључивање магнетног поља, као што је случај код неких типова мотора и прекидача.
3.2 Магнетно коло тороидалног индуктора
Тороидални индуктор је магнетно коло са тороидалним језгром и намотајима обмотаним око њега. Тороидални облик осигурава да је магнетни флукс ограничен унутар језгра, што резултира малим магнетним цурењем.
Индуктивност тороидалног индуктора може се израчунати помоћу формуле , где је број намотаја, је површина попречног пресека језгра, а је средњи полупречник тороида. Тороидални индуктори се широко користе у високофреквентним применама, као што су радиофреквентна (RF) кола и напајања, због својих ниских EMI карактеристика.
4. Структуре сложених магнетних кола
4.1 Магнетно коло трансформатора
Трансформатор је сложено магнетно коло које се састоји од два или више калема (примарног и секундарног) намотаних око заједничког магнетног језгра. Примарни калем је повезан са извором наизменичне струје, који генерише наизменични магнетни флукс у језгру. Овај магнетни флукс се повезује са секундарним калемом, индукујући наизменични напон у секундарном калему према Фарадејевом закону електромагнетне индукције.
- Трансформатор са језгром : Код трансформатора са језгром, намотаји су постављени на краковима језгра. Магнетни флукс протиче кроз језгро и повезује се и са примарним и са секундарним намотајима. Трансформатори са језгром се широко користе у системима за дистрибуцију и пренос електричне енергије због своје релативно једноставне конструкције и високе ефикасности.
- Трансформатор са љуском : Код трансформатора са љуском, намотаји окружују централни део језгра. Ова структура обезбеђује боље магнетно штитење и смањује флукс цурења између примарног и секундарног намотаја. Трансформатори са љуском се често користе у применама мале снаге, као што су електронски уређаји и аудио опрема.
4.2 Магнетно коло релуктансног мотора
Релуктантни мотор је врста електромотора који ради на принципу магнетне релуктације. Магнетно коло релуктантног мотора састоји се од статора са истакнутим половима и ротора са истакнутим половима. Полови статора су побуђени магнетним пољем, а ротор покушава да се поравна са половима статора како би се минимизирала магнетна релуктација кола.
Обртни момент у релуктантном мотору дат је формулом , где је струја у намотајима статора, је индуктивност мотора, а је угаони положај ротора. Релуктантни мотори су једноставне конструкције, имају високу поузданост и користе се у применама као што су вентилатори, пумпе и неки индустријски погони.
5. Структуре магнетних кола за посебне намене
5.1 Магнетно коло магнетног појачавача
Магнетни појачавач је уређај који користи нелинеарна магнетна својства магнетног језгра за појачавање електричног сигнала. Магнетно коло магнетног појачавача се обично састоји од језгра са више намотаја, укључујући контролни намотај и излазни намотај.
Применом контролне струје на контролни намотај, мења се магнетна пермеабилност језгра, што заузврат утиче на магнетни флукс и индуковани напон у излазном намотају. Магнетни појачавачи су се у прошлости широко користили за појачавање и контролу сигнала у апликацијама као што су напајања и системи за управљање моторима. Иако су у многим апликацијама углавном замењени полупроводничким појачавачима, они и даље налазе примену у неким апликацијама велике снаге и високе поузданости.
5.2 Магнетно коло за магнетну резонанцу (МРИ)
У МРИ систему, потребно је веома јако и једнообразно магнетно поље да би се поравнали нуклеарни спинови атома у људском телу. Магнетно коло МРИ система састоји се од великог суперпроводног магнета, који се хлади на веома ниску температуру да би се постигла суперпроводљивост. Суперпроводни магнет генерише магнетно поље високог интензитета са изузетно ниским отпором.
Магнетно коло такође укључује градијентне калемове, који се користе за стварање просторно променљивих магнетних поља за просторно кодирање МРИ сигнала. Дизајн МРИ магнетног кола је кључан за добијање висококвалитетних слика и укључује разматрања као што су униформност магнетног поља, линеарност градијентног поља и безбедност пацијента.
6. Закључак
Уобичајене структуре магнетних кола играју виталну улогу у широком спектру електричних и електронских примена. Од једноставних соленоида и тороидалних индукторa до сложених трансформатора и МРИ система, пројектовање и анализа магнетних кола захтевају дубоко разумевање магнетних материјала, теорије магнетног поља и принципа кола.
Оптимизацијом структура магнетних кола, инжењери могу побољшати перформансе, ефикасност и поузданост различитих уређаја. Будућа истраживања у дизајну магнетних кола могу се фокусирати на развој нових магнетних материјала, интеграцију магнетних кола са полупроводничким уређајима и минијатуризацију магнетних компоненти за нове примене као што су носива електроника и нанотехнологија.
Закључно, свеобухватно знање о уобичајеним структурама магнетних кола је неопходно за професионалце у областима електротехнике, електронике и примењене физике, омогућавајући им да иновирају и унапређују технологију у различитим индустријама.
