معرفی شکاف هوا به هسته مغناطیسی یک سلف

در این مقاله، مزایای معرفی شکاف هوا به هسته مغناطیسی یک سلف را بررسی می کنیم.

اشباع هسته یک نگرانی عمده در طراحی اجزای مغناطیسی است. اکثر برنامه ها به دنبال اجتناب از آن هستند. می توان چگالی شار مغناطیسی هسته را با کاهش تعداد چرخش های سلف به زیر سطح اشباع محدود کرد. با این حال، این نیز اندوکتانس را کاهش می دهد.

یک تکنیک متفاوت و مفیدتر، افزودن شکاف هوا به هسته و در عین حال افزایش تعداد چرخش ها با یک عامل مناسب است. این روش به ما امکان می دهد هر دو پارامتر جریان القایی و اشباع را کنترل کنیم. افزودن شکاف هوا همچنین ظرفیت ذخیره انرژی سلف را افزایش می دهد و آن را کمتر مستعد تغییرات در خواص مغناطیسی هسته می کند.

در طول این مقاله به تفصیل در مورد هر یک از این مزایا صحبت خواهیم کرد. با این حال، اجازه دهید به یک سوال اساسی پاسخ دهیم: چرا سلف ها و ترانسفورماتورها از هسته های مغناطیسی استفاده می کنند؟

هسته هوا در مقابل سلف های هسته مغناطیسی

یک سلف هسته هوا به عنوان یک آنتن عمل می کند. پرتوهای الکترومغناطیسی ناخواسته را به مدارهای مجاور ساطع می کند و سیگنال های الکترومغناطیسی را از محیط دریافت می کند که می تواند در عملکرد مدار اختلال ایجاد کند.

از سوی دیگر، نفوذپذیری بالای یک هسته مغناطیسی به آن اجازه می دهد تا میدان را در یک منطقه از پیش تعریف شده از فضا متمرکز کند. این به ما امکان می دهد جفت مغناطیسی بین سیم پیچ ها را افزایش دهیم. به این ترتیب استفاده از یک هسته مغناطیسی امکان ایجاد سلف هایی با اندوکتانس های بزرگ و ترانسفورماتورهایی با کوپلینگ بالا را فراهم می کند.

شکل 1 سه هندسه هسته مغناطیسی مختلف را نشان می دهد. اینها را می توان به دو نوع تقسیم کرد: حلقه بسته و حلقه باز.

شکل 1. سمت چپ و مرکز: هسته های مغناطیسی حلقه بسته. سمت راست: یک هسته مغناطیسی حلقه باز.

مدارهای مغناطیسی در سمت چپ و مرکز شکل 1 بسته هستند، که باعث می شود شار مغناطیسی بیشتر در داخل هسته محدود شود. با این حال، وقتی هسته میله را در سمت راست بررسی می کنیم، خطوط میدان مسیرهای خود را از طریق هوای اطراف می بندند. بنابراین هسته یک مدار مغناطیسی باز تشکیل می دهد. در یک سلف، یک هسته حلقوی یا نوع دیگری از هسته حلقه بسته معمولاً برای به حداکثر رساندن میدان مغناطیسی در هسته و محدود کردن نشت شار به خارج از هسته انتخاب می شود.

به طور خلاصه، هسته‌های مغناطیسی القاگرهای فشرده و با ارزش را فعال می‌کنند و تداخل الکترومغناطیسی را به حداقل می‌رسانند، به خصوص زمانی که از هسته‌های حلقه بسته استفاده می‌شود. با وجود این مزایا، مواد مغناطیسی دارای دو غیر ایده آل اصلی هستند:

1- هیسترزیس

2- منحنی بسیار غیرخطی

برای دستیابی به تعادل بین مزایا و معایب هسته‌های فرومغناطیسی، معمولاً یک شکاف هوا در حلقه هسته اضافه می‌شود.

Gapped Core چیست؟

شکل 2 یک سلف ساخته شده با استفاده از یک هسته با شکاف هوا را نشان می دهد.

شکل 2. یک سلف دور یک هسته با شکاف هوا پیچیده شده است.

هوا یک ماده خطی است و هیسترزیس را نشان نمی دهد. بنابراین شکاف هوا خطی بودن را بهبود می بخشد و اثر پسماند را کاهش می دهد. با این حال، همانطور که به زودی در مورد آن صحبت خواهیم کرد، این پیشرفت ها با هزینه اندوکتانس کلی کمتر به دست می آیند.

اگرچه ممکن است غیرقابل تصور به نظر برسد، اما یک هسته شکاف نیز می تواند مقدار نسبتاً بیشتری انرژی را در شکاف هوا ذخیره کند. این قابلیت ذخیره‌سازی انرژی می‌تواند در برنامه‌های طراحی منبع تغذیه بسیار مفید باشد، جایی که ما باید مقدار زیادی توان با کمترین هزینه، اندازه و وزن تولید کنیم.

تجزیه و تحلیل هسته شکاف

بیایید هسته شکاف را در شکل 2 تجزیه و تحلیل کنیم تا ببینیم چگونه شکاف هوا بر پارامترهای مختلف سلف تأثیر می گذارد. فرض کنید که:

• هسته دارای نفوذپذیری نسبی μc و طول متوسط lc است.
• شکاف دارای نفوذپذیری نسبی وحدت و طول lg است.
• سطح مقطع (A) هسته و شکاف هوا برابر است.

شکل 3 مدار مغناطیسی معادل این هسته شکاف را نشان می دهد.

شکل 3. مدار مغناطیسی معادل یک هسته شکافدار.

در مدل فوق:
n تعداد دورهای سلف است
i جریان سلف است
ℛmc عدم تمایل هسته است
ℛmg عدم تمایل شکاف هوا است.

رلوکتانس میزان مقاومت مدار مغناطیسی در برابر جریان میدان مغناطیسی را تعیین می کند و با At/Wb اندازه گیری می شود. رلوکتانس های هسته و شکاف هوا را می توان به ترتیب با معادلات 1 و 2 پیدا کرد:
Rmc = lcμcμ0ARmc = lcμcμ0A

معادله 1.

Rmg = lgμ0ARmg = lgμ0A
معادله 2.

همانطور که در بالا ذکر شد، هسته و شکاف هوا دارای سطح مقطع برابر (A) فرض می شوند. زمانی که lg در مقایسه با ابعاد مقطع کوچک باشد، این یک فرض معقول است.
از مدل مدار در شکل 3، داریم:
ni = Φ(Rmc + Rmg)ni = Φ(Rmc + Rmg)

معادله 3.

این معادله شار از طریق هسته (Φ) را به نیروی مغناطیسی حرکتی اعمال شده مرتبط می کند.

نفوذپذیری موثر هسته شکاف دار
اگر نفوذپذیری هسته بسیار بزرگتر از واحد باشد (μc ≫ 1)، یک هسته شکاف دار دارای نفوذپذیری نسبی موثری است:
μeff ≈ lclgμeff ≈ lclg

معادله 4.

کجا:

lc میانگین طول هسته است

lg طول شکاف است.

به عنوان مثال، وقتی lc = 100/g، هسته شکاف دار دارای نفوذپذیری نسبی مؤثر 100 است. نکته مهم در اینجا این است که شکاف تا زمانی که μc ≫ 1 بر رفتار هسته غالب است.

شکاف هوا اندوکتانس را کاهش می دهد

از آنجایی که شکاف نفوذپذیری نسبی موثر هسته را کاهش می دهد، جای تعجب نیست که افزودن شکاف باعث کاهش اندوکتانس ساختار نیز می شود. راه دیگر برای رسیدن به نتیجه مشابه استفاده از تعریف اندوکتانس است. می دانیم که اندوکتانس به صورت زیر تعریف می شود:

L = nΦiL = nΦi

معادله 5.

با ترکیب معادلات 3 و 5، اندوکتانس هسته شکاف را بدست می آوریم:

L = n2Rmc + RmgL = n2Rmc + Rmg

معادله 6.

شکاف هوا باعث افزایش رلوکتانس کل و کاهش اندوکتانس می شود. با وجود این کاهش ظاهری، هسته های شکاف دار سه مزیت مهم دارند:

• حساسیت به نفوذپذیری مواد را کاهش می دهند.

• جریان اشباع را افزایش می دهند.

• انرژی ذخیره شده را افزایش می دهند.

شکاف هوا حساسیت به نفوذپذیری مواد را کاهش می دهد

بدون شکاف هوا، اندوکتانس مستقیماً با نفوذپذیری مواد هسته که با دما تغییر می کند و تابعی غیرخطی از شدت میدان مغناطیسی اعمال شده است، متناسب است. این امر کنترل دقیق اندوکتانس را دشوار می کند.

حالا یک هسته شکاف را در نظر بگیرید. از آنجایی که عدم تمایل شکاف هوا بسیار بزرگتر از مواد هسته است، معادله 6 را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد:

L≈ n2Rmg = n2(lgμ0A) = n2μ0AlgL ≈ n2Rmg = n2(lgμ0A) = n2μ0Alg

معادله 7.

با توجه به موارد فوق، می‌توانیم ببینیم که اندوکتانس هسته شکاف‌دار عمدتاً به ویژگی‌های شکاف (A و lg) بستگی دارد. از آنجایی که نفوذپذیری هوا (μ0) ثابت است، می توان طول شکاف را تنظیم کرد تا اندوکتانس هایی به خوبی کنترل شده ایجاد کرد که حساسیت کمتری به تغییرات نفوذپذیری دارند.

شکل 4 منحنی B-H مواد هسته را با هسته شکاف دار مقایسه می کند.

شکل 4. مقایسه B-H هسته شکاف با هسته بدون شکاف.

همانطور که در شکل بالا می بینیم، معرفی شکاف هوا شیب منحنی – یا به طور معادل، القایی – را کاهش می دهد، اما پاسخ خطی تری نیز ایجاد می کند. به یاد بیاورید که تا زمانی که نفوذپذیری نسبی هسته بسیار بیشتر از وحدت باشد، شکاف بر رفتار هسته غالب است (μc ≫ 1).

شکاف هوا جریان اشباع را افزایش می دهد
شکل 4 به وضوح نشان می دهد که شکاف هوا شدت میدان اشباع (یا به ترتیب، جریان اشباع) را افزایش می دهد. بدون شکاف، بی میلی که شار تجربه می کند اندک است. بنابراین، یک جریان نسبتاً کم می تواند هسته را به سمت اشباع سوق دهد.

هنگامی که یک شکاف به هسته وارد می شود، بی میلی موثر افزایش می یابد. بنابراین جریان بزرگتری برای اشباع هسته مورد نیاز است. بیایید حداکثر جریانی را که سلف می تواند بدون رسیدن به اشباع تحمل کند، محاسبه کنیم.
از معادله 3، مقدار B یک سلف شکاف دار به صورت زیر بدست می آید:
B = ni(Rmc + Rmg) AcB = ni(Rmc + Rmg) Ac

معادله 8.

که در آن Ac سطح مقطع هسته است. بنابراین، جریان در شروع اشباع عبارت است از:
Isat = BsatAcn(Rmc+Rmg)Isat = BsatAcn(Rmc+Rmg)

معادله 9.

که در آن Bsat چگالی شار اشباع است. شکاف هوا رلکتانس موثر و در نتیجه جریان اشباع هسته را افزایش می دهد.

شکاف هوا انرژی ذخیره شده را افزایش می دهد
می دانیم که میدان های مغناطیسی انرژی را ذخیره می کنند. انرژی در واحد حجم ذخیره شده در میدان مغناطیسی (wm) انتگرال شدت میدان (H) در محدوده تغییرات چگالی شار است:
wm = ∫B2B1HdBwm = ∫B1B2HdB

معادله 10.

این همان معادله ای است که در ابتدای این سری مقاله هنگام تجزیه و تحلیل از دست دادن پسماند به دست آوردیم.
شکل 4 نشان داد که با معرفی شکاف هوا، شیب منحنی B-H کاهش می یابد. این امر ناحیه سمت چپ منحنی B-H را بزرگ می کند و نشان می دهد که سلف می تواند مقدار بیشتری انرژی ذخیره کند.
شکل 5 انرژی را که یک هسته شکاف می تواند ذخیره کند با هسته بدون شکاف مقایسه می کند. ناحیه سبز رنگ (A1) مربوط به چگالی توان هسته بدون شکاف است. ناحیه هچ آبی (A2) چگالی توان هسته شکاف را نشان می دهد.

شکل 5. مناطق سایه دار سبز و آبی به ترتیب چگالی توان یک هسته بدون شکاف و یک هسته شکاف را نشان می دهند.

مقایسه بصری سریع A1 با A2 نشان می دهد که هسته شکاف دار می تواند انرژی بیشتری نسبت به هسته بدون شکاف ذخیره کند. اگر طول شکاف را افزایش دهیم، شیب منحنی B-H بیشتر کاهش می یابد و منجر به ظرفیت ذخیره انرژی حتی بیشتر می شود. بیشتر انرژی در یک سلف شکاف دار در واقع در شکاف هوا ذخیره می شود.

انتخاب طول شکاف و تعداد چرخش
دیدیم که شکاف هوا جریان اشباع را افزایش می دهد اما اندوکتانس را کاهش می دهد. برای جبران از دست دادن اندوکتانس ناشی از شکاف هوا، می‌توان تعداد چرخش سیم‌پیچ (n) را افزایش داد. این باعث افزایش میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ می شود و اندوکتانس را به مقدار مورد نظر باز می گرداند.
با فرض اینکه عدم تمایل شکاف بسیار بیشتر از هسته است، معادلات 6 و 8 به صورت زیر ساده می شوند:

L ≈ n2RmgL ≈ n2Rmg
معادله 11.

و:

B ≈ niRmgAcB ≈ niRmgAc
معادله 12.

افزایش مقدار n باعث می شود که هم اندوکتانس (L) و هم چگالی شار مغناطیسی (B) افزایش یابد. با این حال، L متناسب با n2 و B متناسب با n است. بنابراین وقتی n افزایش می یابد، اندوکتانس سریعتر از چگالی شار رشد می کند.
اگر ℛmg و همچنین n را افزایش دهیم، می‌توان چگالی شار را بدون تغییر اندوکتانس کاهش داد. به عنوان مثال، بگوییم که k یک مقدار دلخواه بزرگتر از واحد است. اگر ℛmg را با ضریب k و n را با ضریب √kk افزایش دهیم، L ثابت می ماند اما B با ضریب √kk کاهش می یابد.

چه زمانی از ترانسفورماتورهای با هسته های شکاف استفاده کنیم

در بسیاری از کاربردها، ما از ترانسفورماتورها برای انتقال سیگنال AC از منبع به بار استفاده می کنیم. هنگامی که این مورد است، ما معمولا از هسته های بدون شکاف استفاده می کنیم. افزودن یک شکاف هوا، اندوکتانس قابل دستیابی را برای هر فاکتور شکل معین کاهش می دهد و منجر به ترانسفورماتور کمتر ایده آل می شود.
سایر ترانسفورماتورها مانند کویل های احتراق و ترانسفورماتورهای فلایبک برای ذخیره انرژی و سپس انتقال آن به سیم پیچ ثانویه استفاده می شوند. این برنامه ها ممکن است از هسته های با شکاف استفاده کنند زیرا مقدار بیشتری انرژی را ذخیره می کنند و به طور قابل توجهی از دست دادن هیسترزیس را کاهش می دهند.
به عنوان مثال، یک سیم پیچ احتراق که در یک خودروی معمولی بنزینی استفاده می شود، یک سیم پیچ اولیه حدود 250 دور و یک سیم پیچ ثانویه با حدود 25000 دور دارد. اولیه به باتری خودرو متصل است و با تولید میدان مغناطیسی قوی انرژی را ذخیره می کند. برای آتش زدن شمع، جریان سیم پیچ اولیه قطع می شود. این باعث فروپاشی میدان مغناطیسی می شود و یک نیروی الکتروموتور ولتاژ بالا در سیم پیچ ثانویه ایجاد می کند.
به این ترتیب، انرژی میدان مغناطیسی به یک پالس جریان قوی در سیم پیچ ثانویه تبدیل می شود که جرقه شمع را ایجاد می کند و مخلوط سوخت و هوا در سیلندرهای موتور را مشتعل می کند. استفاده از یک هسته شکاف در سیم پیچ احتراق به اطمینان از رسیدن انرژی کافی به سیم پیچ ثانویه کمک می کند.

در این مقاله، ما آموختیم که یک هسته شکاف می تواند جریان های بزرگتر را بدون اشباع تحمل کند. معرفی شکاف هوا همچنین باعث پایداری بیشتر سلف در برابر تغییرات خواص مغناطیسی هسته و افزایش قابلیت ذخیره انرژی آن می شود.
همه این مزایا با هزینه اندوکتانس کوچکتر به دست می آیند. با این حال، با انتخاب مناسب طول شکاف و تعداد چرخش، می‌توانیم اندوکتانس مورد نظر را بازیابی کنیم و از اشباع هسته جلوگیری کنیم. این تکنیک معمولا برای طراحی سلف برای کاربردهای الکترونیک قدرت استفاده می شود.
این مقاله بحث ما را در مورد هسته های مغناطیسی در حال حاضر به پایان می رساند. مقالات این مجموعه به ترتیب چاپ در زیر آمده است:

1. مفاهیم کلیدی مواد مغناطیسی
2. مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس و فرومغناطیسی توضیح داده شده است
3. استفاده از نفوذپذیری پیچیده برای مشخص کردن تلفات هسته مغناطیسی
4. درک تأثیر جریان های گردابی بر رفتار فرکانس بالا هسته های مغناطیسی
5. درک تشدید بعدی در هسته های مغناطیسی با فرکانس بالا
6. درک انرژی میدان مغناطیسی و افت هیسترزیس در هسته های مغناطیسی
7. از دست دادن هیسترزیس: تخمین، مدل سازی و معادله اشتاینمتز
8. درک اینکه چگونه هسته های چند لایه تلفات جریان گردابی را کاهش می دهند
9. استفاده از نفوذپذیری برای درک اشباع هسته مغناطیسی
10. کنترل و جلوگیری از اشباع هسته در سلف ها
11. درک سلف با هسته های شکاف