แกนแม่เหล็กทำงานอย่างไร?

แกนแม่เหล็กเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์มากมายตั้งแต่หม้อแปลงไฟฟ้าและตัวเหนี่ยวนำไปจนถึงมอเตอร์และเซ็นเซอร์ ในหัวใจของพวกเขาโครงสร้างที่เรียบง่ายเหล่านี้ดูเหมือนจะเป็นสิ่งมหัศจรรย์ที่ซับซ้อนของวิทยาศาสตร์วัสดุและแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อให้มีสมาธิอย่างมีประสิทธิภาพและเป็นแนวทางในการไหลของแม่เหล็ก เพื่อให้เข้าใจว่าพวกเขาทำงานอย่างไรเราจำเป็นต้องเจาะลึกหลักการของแม่เหล็กและคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่ใช้

พื้นฐานของแม่เหล็กและการซึมผ่านของแม่เหล็ก

การทำงานของบานพับแกนแม่เหล็กบนแนวคิดของ การซึมผ่านของแม่เหล็ก - $\mu$ ) ความสามารถของวัสดุในการสนับสนุนการก่อตัวของสนามแม่เหล็กภายในตัวเอง ในแง่ที่ง่ายกว่านั้นเป็นการวัดว่าแรงแม่เหล็กของแรงสามารถผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด อากาศหรือสูญญากาศมีการซึมผ่านแม่เหล็ก ( ${\mu }_0$ ) ประมาณ $4\pi 10^7$ H/M (Henries ต่อเมตร) ซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิง

วัสดุ Ferromagnetic เช่นเหล็กนิกเกิลโคบอลต์และโลหะผสมของพวกเขามีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงเป็นพิเศษ - มีหลายร้อยถึงพันครั้งมากกว่าอากาศ ลักษณะเฉพาะนี้เกิดจากโครงสร้างอะตอมของพวกเขาโดยเฉพาะการปรากฏตัวของอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ซึ่งทำหน้าที่เป็นแม่เหล็กเล็ก ๆ ในวัสดุเหล่านี้ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายนอกแม่เหล็กอะตอมเหล่านี้ (หรือ โดเมนแม่เหล็ก ) จัดตำแหน่งตัวเองขยายสนามแม่เหล็กโดยรวมอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าถูกแผลรอบวัสดุหลักมันจะสร้างสนามแม่เหล็ก หากวัสดุหลักนี้มีการซึมผ่านสูงมันจะ "รวบรวม" ได้อย่างมีประสิทธิภาพและมุ่งเน้นเส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพส่งผ่านร่างกายของมัน ความเข้มข้นของฟลักซ์นี้เป็นฟังก์ชั่นหลักของแกนแม่เหล็ก

ฟังก์ชั่นหลักและแอปพลิเคชัน

ความสามารถของแกนแม่เหล็กในการรวมฟลักซ์แม่เหล็กช่วยให้ฟังก์ชั่นที่สำคัญหลายประการ:

• เพิ่มการเหนี่ยวนำ: ในตัวเหนี่ยวนำขดลวดของลวดจะสร้างสนามแม่เหล็ก หากไม่มีแกนกลางการเหนี่ยวนำ (ความสามารถในการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็ก) ค่อนข้างต่ำ การแนะนำแกนแม่เหล็กที่มีความสามารถในการแพร่กระจายสูงเพิ่มการเหนี่ยวนำของขดลวดอย่างมากทำให้สามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการกรองการปรับแต่งและการจัดเก็บพลังงาน การเหนี่ยวนำ ( $l$ ) ของขดลวดที่มีแกนเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการซึมผ่านของแกนกลางและสี่เหลี่ยมจัตุรัสของจำนวนรอบและสัดส่วนผกผันกับความยาวของเส้นทางแม่เหล็ก

• การถ่ายโอนพลังงานที่มีประสิทธิภาพ (หม้อแปลง): ในหม้อแปลงสองขดลวดหรือมากกว่านั้นมีบาดแผลรอบแกนแม่เหล็กทั่วไป เมื่อกระแสสลับกระแสไหลผ่านขดลวดหลักมันจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงซึ่งได้รับการชี้นำอย่างมีประสิทธิภาพผ่านแกนที่มีความสามารถสูง ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนไปนี้จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าในขดลวดทุติยภูมิช่วยให้การถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าระหว่างวงจรอย่างมีประสิทธิภาพโดยมีระดับแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นหรือลง หลักช่วยลดลง ฟลักซ์การรั่วไหล (เส้นสนามแม่เหล็กที่ไม่เชื่อมโยงทั้งสองขดลวด) ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์ได้สูงสุด

• ปรับปรุงการมีเพศสัมพันธ์แม่เหล็ก (มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า): ในมอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแกนแม่เหล็กเป็นส่วนหนึ่งของสเตเตอร์และโรเตอร์นำทางสนามแม่เหล็กที่ผลิตแรงบิดหรือผลิตกระแสไฟฟ้า แกนกลางทำให้มั่นใจได้ว่าเส้นสนามแม่เหล็กมีการโต้ตอบอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่กับที่และการหมุนซึ่งนำไปสู่การแปลงพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

ประเภทของแกนแม่เหล็กและคุณสมบัติของพวกเขา

การเลือกวัสดุแกนแม่เหล็กนั้นมีความสำคัญและขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ตั้งใจไว้อย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งความถี่ในการทำงานและระดับพลังงาน

1. แกนเหล็กอ่อน: สิ่งเหล่านี้เป็นหนึ่งในแกนแม่เหล็กที่ง่ายที่สุดและเก่าแก่ที่สุด ใช้เหล็กอ่อนเนื่องจากมีการซึมผ่านค่อนข้างสูงและต่ำ การปลดปล่อย (ความสามารถในการรักษาแม่เหล็กหลังจากออกสนามภายนอก) พวกมันมักจะพบในแม่เหล็กไฟฟ้าที่จำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กชั่วคราวที่แข็งแกร่ง

2. แกนเหล็กซิลิคอน (ลามิเนต): สำหรับแอปพลิเคชัน AC เช่น Power Transformers เหล็กซิลิกอน เป็นวัสดุที่เลือก การเพิ่มซิลิกอน (โดยทั่วไป 0.5% ถึง 4.5%) จะเพิ่มความต้านทานและลดลง การสูญเสียหลัก โดยเฉพาะ การสูญเสียปัจจุบันของ Eddy - เพื่อลดกระแสวนวนซึ่งเป็นกระแสหมุนเวียนที่เกิดขึ้นภายในแกนกลางโดยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงแกนเหล่านี้จะถูกสร้างขึ้นจากแผ่นบาง ๆ หรือ การเคลือบ ที่มีฉนวนไฟฟ้าจากกันและกัน สิ่งนี้จะทำให้เส้นทางปัจจุบันไหลเวียนทำให้พวกเขากลายเป็นลูปที่เล็กลงและลดขนาดของพวกเขาอย่างมีนัยสำคัญ การสูญเสีย Hysteresis การสูญเสียหลักอีกประเภทหนึ่งที่เกิดจากพลังงานที่จำเป็นในการดึงดูดและกำจัดแม่เหล็กแกนกลางซ้ำ ๆ ได้รับการพิจารณาในการเลือกวัสดุ เหล็กซิลิคอนมีห่วง hysteresis ที่ค่อนข้างแคบซึ่งบ่งบอกถึงการสูญเสียพลังงานที่ลดลงต่อรอบ

3. เฟอร์ไรต์คอร์: เฟอร์ไรต์เป็นสารประกอบเซรามิกส่วนใหญ่ประกอบด้วยเหล็กออกไซด์ผสมกับองค์ประกอบโลหะอื่น ๆ (เช่นนิกเกิล, สังกะสี, แมงกานีส) แตกต่างจากแกนโลหะเฟอร์ไรต์เป็น ฉนวน ซึ่งหมายความว่าพวกเขามีความต้านทานสูงมาก สถานที่ให้บริการนี้ทำให้พวกเขาเหมาะสำหรับ แอปพลิเคชันความถี่สูง (Kilohertz ถึง Gigahertz Range) ซึ่งการสูญเสียกระแสไหล่จะต้องห้ามในแกนโลหะ เฟอร์ไรต์แบ่งออกเป็น:

   • เฟอร์ไรต์นุ่ม: ใช้ในแอปพลิเคชันเช่นหม้อแปลง RF ตัวเหนี่ยวนำและการปราบปราม EMI พวกเขามีการบีบบังคับต่ำ (แม่เหล็กได้ง่ายและถูกกลบ) และการสูญเสียค่อนข้างต่ำที่ความถี่สูง

   • เฟอร์ไรต์แข็ง: ใช้สำหรับแม่เหล็กถาวรเนื่องจากการบีบบังคับสูงและ retentivity

4. Cores Permalloy: เหล่านี้เป็นโลหะผสมเหล็กนิกเกิลที่รู้จักกันดีในการซึมผ่านของแม่เหล็กที่สูงมากและการบีบบังคับต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กต่ำ พวกเขามักจะใช้ในเซ็นเซอร์แม่เหล็กที่บอบบางการป้องกันแม่เหล็กและหม้อแปลงเสียงคุณภาพสูงซึ่งจำเป็นต้องมีประสิทธิภาพแม่เหล็กที่แม่นยำ

5. แกนอสัณฐานและนาโนคริสตัล: เหล่านี้เป็นวัสดุที่ใหม่กว่าของวัสดุที่เกิดขึ้นจากโลหะหลอมเหลวเย็นลงอย่างรวดเร็วป้องกันการก่อตัวของโครงสร้างผลึก พวกเขามีคุณสมบัติแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยมรวมถึงการซึมผ่านที่สูงมากการสูญเสียแกนต่ำและความหนาแน่นฟลักซ์ความอิ่มตัวสูงทำให้เหมาะสำหรับอิเล็กทรอนิกส์พลังงานความถี่สูงและส่วนประกอบอุปนัยขั้นสูง

การสูญเสียหลัก: การพิจารณาในทางปฏิบัติ

ในขณะที่แกนแม่เหล็กช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ก็ไม่สูญเสีย ประเภทหลักของการสูญเสียในแกนแม่เหล็กภายใต้สภาวะปัจจุบันสลับกันคือ:

• การสูญเสีย Hysteresis: ดังที่ได้กล่าวไว้นี่คือพลังงานที่กระจายเป็นความร้อนเมื่อโดเมนแม่เหล็กในวัสดุหลักซ้ำ ๆ ซ้ำ ๆ ในแต่ละรอบของการทำให้เป็นแม่เหล็กและการกำจัดแม่เหล็ก มันเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ของห่วง hysteresis ของวัสดุ

• การสูญเสียปัจจุบันของ Eddy: สิ่งเหล่านี้คือการสูญเสียความต้านทานที่เกิดจากกระแสการไหลเวียนที่ไม่พึงประสงค์ที่เกิดขึ้นภายในวัสดุหลักเองโดยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง พวกมันจะลดลงโดยใช้แกนลามิเนตหรือวัสดุที่มีความต้านทานสูงเช่นเฟอร์ไรต์

วิศวกรเลือกวัสดุหลักและการออกแบบอย่างพิถีพิถันเพื่อลดการสูญเสียเหล่านี้เพื่อให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับการใช้งานเฉพาะ

แกนแม่เหล็ก เป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ซึ่งใช้ประโยชน์จากหลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์วัสดุเพื่อควบคุมและเพิ่มประสิทธิภาพสนามแม่เหล็ก ความสามารถในการรวมฟลักซ์ลดการสูญเสียและช่วยให้การถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพทำให้พวกเขามีความสำคัญต่อการทำงานของระบบอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้านับไม่ถ้วนที่ให้พลังงานแก่โลกสมัยใหม่ของเรา การทำความเข้าใจการดำเนินการพื้นฐานและคุณสมบัติของวัสดุหลักที่แตกต่างกันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทุกคนที่ทำงานด้วยหรือออกแบบวงจรไฟฟ้า