Senz Magnet - Global Permanent Magnets Material Manufacturer & Leverantör under 20 år.
Vanliga magnetiska kretsstrukturer
Magnetiska kretsar är grundläggande i olika elektriska och elektroniska apparater, från transformatorer och induktorer till motorer och generatorer. Att förstå de vanliga magnetiska kretsstrukturerna är avgörande för ingenjörer och forskare som är involverade i design, analys och optimering av dessa apparater. Den här artikeln ger en djupgående utforskning av vanliga magnetiska kretsstrukturer, inklusive deras grundläggande komponenter, arbetsprinciper och tillämpningar. Den täcker enkla magnetiska kretsar, sammansatta magnetiska kretsar och några specialdesignade magnetiska kretsar.
1. Introduktion
Magnetiska kretsar är analoga med elektriska kretsar, men istället för att hantera flödet av elektrisk ström hanterar de flödet av magnetiskt flöde. Studiet av magnetiska kretsar hjälper till att förstå hur magnetfält distribueras och styrs inom ett givet magnetiskt material och luftspaltkonfiguration. Vanliga magnetiska kretsstrukturer är utformade för att uppnå specifika magnetfältegenskaper, såsom hög magnetisk flödestäthet, lågt magnetiskt läckage och effektiv energiöverföring.
2. Grundläggande komponenter i magnetiska kretsar
2.1 Magnetisk kärna
Den magnetiska kärnan är huvuddelen av en magnetisk krets som ger en lågreluktansväg för det magnetiska flödet. Den är vanligtvis tillverkad av ferromagnetiska material som järn, stål eller ferriter. Ferromagnetiska material har hög magnetisk permeabilitet, vilket innebär att de lätt kan magnetiseras och avmagnetiseras. Formen på den magnetiska kärnan kan variera kraftigt, inklusive cylindriska, rektangulära och toroidformade.
- Cylindrisk kärna : Används ofta i solenoider och vissa typer av induktorer. Den ger en relativt enkel och symmetrisk magnetisk bana. Till exempel, i en enkel solenoid placeras en cylindrisk kärna inuti en trådspole. När en elektrisk ström flyter genom spolen genereras ett magnetfält och det magnetiska flödet koncentreras inuti den cylindriska kärnan.
- Rektangulär kärna : Vanligt förekommande i transformatorer och vissa magnetiska sensorer. Den rektangulära formen möjliggör enkel stapling av lamineringar för att minska virvelströmsförluster. Laminerade kärnor tillverkas genom att stapla tunna ark av magnetiskt material med ett isolerande lager mellan dem. Denna struktur avbryter virvelströmsbanorna, vilket minskar energiförlusterna på grund av virvelströmmar.
- Toroidkärna : En toroidkärna är en munkformad magnetisk kärna. Den har fördelen med mycket lågt magnetiskt läckage eftersom det magnetiska flödet är helt inneslutet i kärnan. Toroidkärnor används ofta i högpresterande induktorer och transformatorer, särskilt i tillämpningar där låg elektromagnetisk störning (EMI) krävs.
2.2 Spole (lindningar)
Spolen, även känd som lindningar, är en viktig del av en magnetisk krets. Den består av ett antal trådvarv lindade runt den magnetiska kärnan. När en elektrisk ström flyter genom spolen genererar den en magnetomotorisk kraft (MMF), som är analog med den elektromotoriska kraften (EMF) i en elektrisk krets. MMF ges av formeln , där är antalet varv på spolen och är strömmen som flyter genom spolen.
- Enkelskiktslindningar : I enkelskiktslindningar är tråden lindad runt kärnan i ett enda lager. Denna typ av lindning är enkel att konstruera men kan ha en relativt stor läckinduktans.
- Flerskiktslindningar : Flerskiktslindningar används för att öka antalet varv i ett begränsat utrymme. De kan lindas i olika mönster, såsom spiral- eller korglindningar. Flerskiktslindningar kan minska läckageinduktansen och öka spolens induktans, men de kan också introducera ytterligare kapacitans mellan lagren.
2.3 Luftspalt
Ett luftgap är ett icke-magnetiskt område i en magnetisk krets. Det introduceras ofta avsiktligt i magnetiska kretsar av olika skäl, såsom att kontrollera den magnetiska flödestätheten, ge mekaniskt utrymme eller tillåta komponenternas rörelse. Närvaron av ett luftgap ökar reluktansen hos den magnetiska kretsen eftersom luft har en mycket lägre magnetisk permeabilitet jämfört med ferromagnetiska material.
3. Enkla magnetiska kretsstrukturer
3.1 Magnetisk solenoidkrets
En solenoid är en enkel magnetisk krets som består av en cylindrisk kärna och en trådspole lindad runt den. När likström (DC) eller växelström (AC) flyter genom spolen genereras ett magnetfält längs solenoidens axel.
- Likströmsmagnetventil : I en likströmsmagnetventil är magnetfältet konstant så länge strömmen är konstant. Den magnetiska flödestätheten inuti magnetventilen kan approximeras med formeln , där är permeabiliteten för det fria utrymmet ( ), är den relativa permeabiliteten för kärnmaterialet, är antalet varv per längdenhet och är strömmen. Likströmsmagnetventiler används ofta i reläer, ventiler och ställdon.
- AC-solenoid : I en AC-solenoid varierar strömmen och magnetfältet sinusformat med tiden. Solenoidens induktans spelar en viktig roll för att bestämma förhållandet mellan ström och spänning. AC-solenoider används i tillämpningar där magnetfältet behöver slås på och av snabbt, till exempel i vissa typer av motorer och brytare.
3.2 Magnetisk krets för toroidal induktor
En toroidformad induktor är en magnetisk krets med en toroidformad kärna och lindningar lindade runt den. Den toroidformade formen säkerställer att det magnetiska flödet begränsas inuti kärnan, vilket resulterar i lågt magnetiskt läckage.
Induktansen för en toroidformad induktor kan beräknas med formeln , där är antalet varv, är kärnans tvärsnittsarea och är toroidens medelradie. Toroidala induktorer används ofta i högfrekventa tillämpningar, såsom i radiofrekvenskretsar (RF) och strömförsörjning, på grund av deras låga EMI-egenskaper.
4. Sammansatta magnetiska kretsstrukturer
4.1 Transformatormagnetkrets
En transformator är en sammansatt magnetisk krets som består av två eller flera spolar (primär och sekundär) lindade runt en gemensam magnetisk kärna. Primärspolen är ansluten till en växelströmskälla, som genererar ett alternerande magnetiskt flöde i kärnan. Detta magnetiska flöde länkar till sekundärspolen och inducerar en alternerande spänning i sekundärspolen enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion.
- Kärntransformator : I en kärntransformator är lindningarna placerade på kärnans ben. Magnetflödet flyter genom kärnan och kopplas till både primär- och sekundärlindningarna. Kärntransformatorer används ofta i kraftdistributions- och överföringssystem på grund av sin relativt enkla konstruktion och höga effektivitet.
- Skaltransformator : I en skaltransformator omger lindningarna kärnans centrala del. Denna struktur ger bättre magnetisk avskärmning och minskar läckflödet mellan primär- och sekundärlindningarna. Skaltransformatorer används ofta i lågeffektsapplikationer, till exempel i elektroniska apparater och ljudutrustning.
4.2 Reluktansmotorns magnetiska krets
En reluktansmotor är en typ av elmotor som arbetar enligt principen om magnetisk reluktans. Den magnetiska kretsen i en reluktansmotor består av en stator med utpräglade poler och en rotor med utpräglade poler. Statorpolerna exciteras av ett magnetfält, och rotorn försöker rikta in sig med statorpolerna för att minimera kretsens magnetiska reluktans.
Vridmomentet i en reluktansmotor ges av formeln , där är strömmen i statorlindningarna, är motorns induktans och är rotorns vinkelposition. Reluktansmotorer är enkla i konstruktionen, har hög tillförlitlighet och används i applikationer som fläktar, pumpar och vissa industriella drivsystem.
5. Magnetiska kretsstrukturer för speciella ändamål
5.1 Magnetisk förstärkares magnetiska krets
En magnetisk förstärkare är en anordning som använder de icke-linjära magnetiska egenskaperna hos en magnetisk kärna för att förstärka en elektrisk signal. Den magnetiska kretsen i en magnetisk förstärkare består vanligtvis av en kärna med flera lindningar, inklusive en styrlindning och en utgångslindning.
Genom att applicera en styrström på styrlindningen ändras kärnans magnetiska permeabilitet, vilket i sin tur påverkar det magnetiska flödet och den inducerade spänningen i utgångslindningen. Magnetiska förstärkare användes tidigare flitigt för signalförstärkning och styrning i tillämpningar som strömförsörjning och motorstyrningssystem. Även om de till stor del har ersatts av halvledarbaserade förstärkare i många tillämpningar, används de fortfarande i vissa högeffekts- och högtillförlitlighetstillämpningar.
5.2 Magnetisk resonanstomografi (MRT) magnetkrets
I ett MR-system krävs ett mycket starkt och enhetligt magnetfält för att justera kärnspinn hos atomerna i människokroppen. Magnetkretsen i ett MR-system består av en stor supraledande magnet, som kyls till en mycket låg temperatur för att uppnå supraledning. Den supraledande magneten genererar ett högintensivt magnetfält med extremt låg resistans.
Magnetkretsen inkluderar även gradientspolar, som används för att skapa rumsligt varierande magnetfält för rumslig kodning av MR-signalerna. Utformningen av MR-magnetkretsen är avgörande för att få högkvalitativa bilder, och den involverar överväganden som magnetfältets enhetlighet, gradientfältets linjäritet och patientsäkerhet.
6. Slutsats
Vanliga magnetiska kretsstrukturer spelar en viktig roll i en mängd olika elektriska och elektroniska tillämpningar. Från enkla solenoider och toroidala induktorer till komplexa transformatorer och MRI-system kräver design och analys av magnetiska kretsar en djup förståelse av magnetiska material, magnetfältsteori och kretsprinciper.
Genom att optimera de magnetiska kretsstrukturerna kan ingenjörer förbättra prestanda, effektivitet och tillförlitlighet hos olika enheter. Framtida forskning inom magnetisk kretsdesign kan fokusera på utveckling av nya magnetiska material, integration av magnetiska kretsar med halvledarkomponenter och miniatyrisering av magnetiska komponenter för nya tillämpningar som bärbar elektronik och nanoteknik.
Sammanfattningsvis är omfattande kunskaper om vanliga magnetiska kretsstrukturer avgörande för yrkesverksamma inom elektroteknik, elektronik och tillämpad fysik, så att de kan förnya sig och utveckla tekniken inom olika branscher.
