الأجهزة الكهرومغناطيسية: الغرض والأنواع والمتطلبات والتصميم

الغرض من الأجهزة الكهرومغناطيسية

يتم إنتاج أو تحويل أو نقل أو توزيع أو استهلاك الطاقة الكهربائية باستخدام الأجهزة الكهربائية. من بين كل تنوعها ، نفرد الأجهزة الكهرومغناطيسية ، التي يعتمد عملها حول ظاهرة الحث الكهرومغناطيسييرافقه ظهور تدفقات مغناطيسية.

تشمل الأجهزة الكهرومغناطيسية الثابتة الإختناقات والمضخمات المغناطيسية والمحولات والمرحلات والمبتدئين والموصلات وغيرها من الأجهزة. الدورية - المحركات والمولدات الكهربائية والقوابض الكهرومغناطيسية.

مجموعة من الأجزاء المغناطيسية للأجهزة الكهرومغناطيسية مصممة لتوصيل الجزء الرئيسي من التدفق المغناطيسي ، سميت نظام مغناطيسي لجهاز كهرومغناطيسي... الوحدة الهيكلية الخاصة لمثل هذا النظام هي دائرة مغناطيسية... التدفقات المغناطيسية التي تمر عبر الدوائر المغناطيسية يمكن حصرها جزئيًا في وسط غير مغناطيسي ، مكونة تدفقات مغناطيسية طائشة.

يمكن إنشاء التدفقات المغناطيسية التي تمر عبر دائرة مغناطيسية باستخدام تيارات كهربائية مباشرة أو متناوبة تتدفق في واحد أو أكثر لفائف حثي... مثل هذا الملف هو عنصر دائرة كهربائية مصمم لاستخدام المحاثة الخاصة به و / أو المجال المغناطيسي الخاص به.

يتم تشكيل ملف واحد أو أكثر تصفية… يتم استدعاء جزء الدائرة المغناطيسية الذي يوجد عليه الملف أو حوله جوهر، يسمى الجزء الذي لا يقع الملف عليه أو حوله نير.

يعتمد حساب المعلمات الكهربائية الرئيسية للأجهزة الكهرومغناطيسية على قانون التيار الكلي وقانون الحث الكهرومغناطيسي. تُستخدم ظاهرة الحث المتبادل لنقل الطاقة من دائرة كهربائية إلى أخرى.

شاهد المزيد من التفاصيل هنا: الدوائر المغناطيسية للأجهزة الكهربائية و هنا: ما هو حساب الدائرة المغناطيسية؟

متطلبات الدوائر المغناطيسية للأجهزة الكهرومغناطيسية

تعتمد متطلبات النوى المغناطيسية على الغرض الوظيفي للأجهزة الكهرومغناطيسية التي تُستخدم فيها.

في الأجهزة الكهرومغناطيسية ، يمكن استخدام التدفقات المغناطيسية الثابتة و / أو المتناوبة. لا يتسبب التدفق المغناطيسي الدائم في فقدان الطاقة في الدوائر المغناطيسية.

النوى المغناطيسية تعمل تحت ظروف التعرض تدفق مغناطيسي ثابت (على سبيل المثال ، أسرة لآلات التيار المستمر) يمكن تصنيعها من الفراغات المصبوبة باستخدام الآلات اللاحقة. مع التكوين المعقد للدوائر المغناطيسية ، يكون تصنيعها من عدة عناصر أكثر اقتصادا.

يكون المرور عبر الدوائر المغناطيسية لتدفق مغناطيسي متناوب مصحوبًا بفقدان الطاقة ، وهو ما يسمى خسائر مغناطيسية… إنها تتسبب في تسخين الدوائر المغناطيسية. من الممكن تقليل تسخين النوى المغناطيسية من خلال تدابير خاصة لتبريدها (على سبيل المثال ، العمل في الزيت). مثل هذه الحلول تعقد تصميمها وتزيد من تكاليف إنتاجها وتشغيلها.

تتكون الخسائر المغناطيسية من:

• فقدان التباطؤ.

• خسائر التيار الدوامة

• خسائر إضافية.

يمكن تقليل خسائر التباطؤ باستخدام مغناطيس مغناطيسي ناعم مع مغناطيس ضيق دائرة التخلفية.

عادة ما يتم تقليل خسائر إيدي الحالية من خلال:

• استخدام المواد ذات التوصيل الكهربائي المنخفض ؛

• إنتاج النوى المغناطيسية من شرائح أو ألواح معزولة كهربائيًا.

توزيع التيارات الدوامة في الدوائر المغناطيسية المختلفة: أ - في الصب. ب - في مجموعة من الأجزاء المصنوعة من مواد الصفائح.

الجزء الأوسط من الدائرة المغناطيسية مغطى إلى حد كبير بالتيارات الدوامة مقارنة بسطحه ، مما يؤدي إلى "إزاحة" التدفق المغناطيسي الرئيسي باتجاه سطح الدائرة المغناطيسية ، أي يحدث تأثير السطح.

يؤدي هذا إلى حقيقة أنه عند خاصية تردد معينة لمادة هذه الدائرة المغناطيسية ، سيتم تركيز التدفق المغناطيسي تمامًا في طبقة سطحية رقيقة من الدائرة المغناطيسية ، والتي يتم تحديد سمكها من خلال عمق الاختراق عند تردد معين .

يؤدي وجود التيارات الدوامة المتدفقة في قلب مغناطيسي مصنوع من مادة ذات مقاومة كهربائية منخفضة إلى خسائر مقابلة (خسائر التيار الدوامة).

يتم حل مهمة تقليل خسائر تيار الدوامة والحفاظ على التدفق المغناطيسي إلى أقصى حد عن طريق تصنيع الدوائر المغناطيسية من الأجزاء الفردية (أو أجزائها) ، والتي تكون معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض. في هذه الحالة ، تظل مساحة المقطع العرضي للدائرة المغناطيسية دون تغيير.

يتم استخدام الألواح أو الشرائط المختومة من مواد الألواح والجروح على القلب على نطاق واسع. يمكن استخدام طرق تكنولوجية مختلفة لعزل أسطح الألواح (أو الشرائط) ، والتي غالبًا ما يتم تطبيق الورنيش أو المينا العازلة.

تسمح الدائرة المغناطيسية المكونة من أجزاء منفصلة (أو أجزائها) بما يلي:

• تقليل خسائر تيار الدوامة بسبب الترتيب العمودي للألواح بالنسبة لاتجاه دورانها (في هذه الحالة ، يتناقص طول الدوائر التي يمكن للتيارات الدوامة أن تدور على طولها) ؛

• للحصول على توزيع غير موحد ضئيل للتدفق المغناطيسي ، لأنه عند سماكة صغيرة من مادة الصفيحة ، بما يتناسب مع عمق الاختراق ، يكون تأثير التدريع لتيارات الدوامة صغيرًا.

يمكن فرض متطلبات أخرى على مواد النوى المغناطيسية: درجة الحرارة ومقاومة الاهتزاز ، والتكلفة المنخفضة ، وما إلى ذلك. عند تصميم جهاز معين ، يتم اختيار المادة المغناطيسية اللينة التي تلبي معاييرها المتطلبات المحددة على أفضل وجه.

تصميم النوى المغناطيسية

اعتمادًا على تقنية الإنتاج ، يمكن تقسيم النوى المغناطيسية للأجهزة الكهرومغناطيسية إلى 3 مجموعات رئيسية:

• رقائقي.

• الشريط.

• مصبوب.

يتم تجنيد الدوائر المغناطيسية الصفائحية من ألواح منفصلة معزولة كهربائيًا عن بعضها البعض ، مما يجعل من الممكن تقليل فقد تيار الدوامة. يتم الحصول على النوى المغناطيسية للشريط عن طريق لف شريط بسماكة معينة. في مثل هذه الدوائر المغناطيسية ، يتم تقليل تأثير التيارات الدوامة بشكل كبير ، حيث يتم تغطية الطائرات الشريطية بورنيش عازل.

يتم إنتاج النوى المغناطيسية المتكونة عن طريق الصب (الفولاذ الكهربائي) ، وتكنولوجيا السيراميك (الفريت) ، وخلط المكونات متبوعًا بالضغط (عازل مغناطيسي) وطرق أخرى.

في تصنيع الدائرة المغناطيسية لجهاز كهرومغناطيسي ، من الضروري ضمان تصميمه الخاص ، والذي يتم تحديده بواسطة العديد من العوامل (قوة الجهاز ، تردد التشغيل ، إلخ) ، بما في ذلك وجود أو عدم وجود تحويل مباشر أو عكسي للكهرومغناطيسية الطاقة إلى طاقة ميكانيكية في الجهاز.

تشتمل تصميمات الأجهزة التي يحدث فيها مثل هذا التحول (المحركات الكهربائية ، والمولدات ، والمرحلات ، وما إلى ذلك) على أجزاء تتحرك تحت تأثير التفاعل الكهرومغناطيسي.

الأجهزة التي لا يتسبب فيها الحث الكهرومغناطيسي في تحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة ميكانيكية (المحولات ، الإختناقات ، المضخمات المغناطيسية ، إلخ) تسمى الأجهزة الكهرومغناطيسية الثابتة.

في الأجهزة الكهرومغناطيسية الثابتة ، اعتمادًا على التصميم ، غالبًا ما تستخدم الدوائر المغناطيسية المدرعة والقضيب والحلقة.

يمكن أن يكون للنوى المغناطيسية المصبوبة تصميم أكثر تعقيدًا من الألواح والشرائط.

النوى المغناطيسية المشكلة: أ - دائرية ؛ ب - د - مدرعة ؛ د - كوب و ، ز - الدوران ؛ ح - فتحات كثيرة

تتميز النوى المغناطيسية المدرعة ببساطتها في التصميم ، ونتيجة لذلك ، قدرتها على التصنيع. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر هذا التصميم حماية أفضل للملف (مقارنة بالآخرين) من التأثيرات الميكانيكية والتداخل الكهرومغناطيسي.

الدوائر المغناطيسية الأساسية مختلفة:

• تبريد جيد

• حساسية منخفضة للاضطرابات (نظرًا لأن المجال الكهرومغناطيسي للاضطرابات التي تحدث في الملفات المجاورة معاكسة للإشارة ويتم تعويضها جزئيًا أو كليًا) ؛

• وزن أقل (بالنسبة للدروع) بنفس القوة ؛

• أقل (بالنسبة للدروع) تبديد التدفق المغناطيسي.

تشمل عيوب الأجهزة القائمة على الدوائر المغناطيسية للقضيب (بالنسبة للأجهزة التي تعتمد على الدوائر المدرعة) صعوبة تصنيع الملفات (خاصة عند وضعها على قضبان مختلفة) وحمايتها الأضعف من التأثيرات الميكانيكية.

نظرًا لتيارات التسرب المنخفضة ، تتميز الدوائر المغناطيسية الحلقية ، من ناحية ، بعزل جيد للضوضاء ، ومن ناحية أخرى ، من خلال تأثير ضئيل على العناصر القريبة من المعدات الإلكترونية (REE). لهذا السبب ، يتم استخدامها على نطاق واسع في منتجات هندسة الراديو.

ترتبط عيوب الدوائر المغناطيسية الدائرية بتقنيتها المنخفضة (صعوبات في لف الملفات وتركيب الأجهزة الكهرومغناطيسية في مكان الاستخدام) والطاقة المحدودة - حتى مئات الواط (يفسر هذا الأخير بتسخين الدائرة المغناطيسية ، التي لا يوجد لديها تبريد مباشر بسبب دوران الملف الموجود عليها).

يتم اختيار نوع ونوع الدائرة المغناطيسية مع مراعاة إمكانية الحصول على أصغر قيم لكتلتها وحجمها وتكلفتها.

تحتوي الهياكل المعقدة بدرجة كافية على دوائر مغناطيسية للأجهزة التي يوجد فيها تحويل مباشر أو عكسي للطاقة الكهرومغناطيسية إلى طاقة ميكانيكية (على سبيل المثال ، الدوائر المغناطيسية للآلات الكهربائية الدوارة). تستخدم هذه الأجهزة دوائر مغناطيسية مصبوبة أو لوحة.

أنواع الأجهزة الكهرومغناطيسية

خنق - جهاز يستخدم كمقاومة حثية في دوائر التيار المتردد أو النابض.

تُستخدم النوى المغناطيسية ذات الفجوة غير المغناطيسية في ملفات التيار المتردد التي تُستخدم لتخزين الطاقة وفي الإختناقات الملساء المصممة لتنعيم تموج التيار المعدل. في الوقت نفسه ، توجد اختناقات يمكن فيها ضبط حجم الفجوة غير المغناطيسية ، وهو أمر ضروري لتغيير محاثة الخانق أثناء تشغيله.

الجهاز ومبدأ تشغيل الخانق الكهربائي

مكبر مغناطيسي - جهاز يتكون من دائرة مغناطيسية واحدة أو أكثر مع ملفات يمكن بواسطتها تغيير التيار أو الجهد من حيث الحجم في دائرة كهربائية مزودة بجهد متناوب أو مصدر تيار متناوب ، بناءً على استخدام ظاهرة تشبع المغناطيس الحديدي تحت تأثير مجال التحيز الدائم.

يعتمد مبدأ تشغيل المضخم المغناطيسي على تغيير في النفاذية المغناطيسية التفاضلية (تقاس على تيار متناوب) مع تغيير في تيار التحيز المباشر ، وبالتالي فإن أبسط مضخم مغناطيسي هو خنق مشبع يحتوي على ملف عامل والتحكم لفه.

محول يسمى الجهاز الكهرومغناطيسي الثابت الذي يحتوي على ملفين (أو أكثر) مقترنين حثيًا ومصمم للتحويل عن طريق الحث الكهرومغناطيسي واحد أو أكثر من أنظمة التيار المتردد إلى واحد أو أكثر من أنظمة التيار المتردد.

يتم تحديد قوة المحول من خلال أقصى تحريض ممكن للمادة الأساسية المغناطيسية وأبعادها. لذلك ، يتم تجميع النوى المغناطيسية (عادة من نوع القضيب) لمحولات الطاقة القوية من صفائح فولاذية كهربائية بسمك 0.35 أو 0.5 مم.

الجهاز ومبدأ تشغيل المحول

مرحل كهرومغناطيسي يسمى الترحيل الكهروميكانيكي ، والذي يعتمد تشغيله على تأثير المجال المغناطيسي لملف ثابت على عنصر مغناطيسي حديدي متحرك.

يحتوي أي مرحل كهرومغناطيسي على دائرتين كهربائيتين: دائرة إشارة دخل (تحكم) ودائرة إشارة خرج (مسيطر عليها). وفقًا لمبدأ الجهاز في الدائرة التي يتم التحكم فيها ، يتم تمييز المرحلات غير المستقطبة والمستقطبة. لا يعتمد تشغيل المرحلات غير المستقطبة ، على عكس المرحلات المستقطبة ، على اتجاه التيار في دائرة التحكم.

كيف يعمل المرحل الكهرومغناطيسي ويعمل

الاختلافات بين المرحلات الكهرومغناطيسية DC و AC

آلة كهربائية دوارة - جهاز مصمم لتحويل الطاقة بناءً على الحث الكهرومغناطيسي وتفاعل مجال مغناطيسي مع تيار كهربائي ، يحتوي على جزأين على الأقل متورطين في عملية التحويل الرئيسية وقادر على الدوران أو الدوران بالنسبة لبعضهما البعض.

جزء الآلات الكهربائية الذي يتضمن دائرة مغناطيسية ثابتة مع ملف يسمى الجزء الثابت ، والجزء الدوار يسمى الدوار.

آلة كهربائية مصممة لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية تسمى مولد آلة كهربائية. آلة كهربائية مصممة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية تسمى المحرك الكهربائي الدوار.

مبدأ التشغيل وجهاز المحركات الكهربائية

مبدأ التشغيل وجهاز المولدات

الأمثلة المذكورة أعلاه لاستخدام المواد اللينة لإنشاء أجهزة كهرومغناطيسية ليست شاملة. تنطبق كل هذه المبادئ أيضًا على تصميم الدوائر المغناطيسية والمنتجات الكهربائية الأخرى التي تستخدم المحاثات ، مثل أجهزة التبديل الكهربائية والأقفال المغناطيسية وما إلى ذلك.