Lõi từ tính hoạt động như thế nào?

Lõi từ là các thành phần cơ bản trong một loạt các thiết bị điện và điện tử, từ máy biến áp và cuộn cảm đến động cơ và cảm biến. Trong trái tim của họ, những cấu trúc có vẻ đơn giản này là những điều kỳ diệu phức tạp của khoa học vật chất và điện từ, được thiết kế để tập trung hiệu quả và hướng dẫn thông lượng từ tính. Để hiểu cách chúng hoạt động, chúng ta cần đi sâu vào các nguyên tắc từ tính và các tính chất cụ thể của các vật liệu được sử dụng.

Những điều cơ bản của từ tính và tính thấm từ tính

Hoạt động của một bản lề lõi từ tính về khái niệm tính thấm từ tính . $\mu$ ), khả năng của một vật liệu để hỗ trợ sự hình thành từ trường trong chính nó. Nói một cách đơn giản hơn, đó là thước đo cách các dòng lực từ có thể đi qua một vật liệu dễ dàng như thế nào. Không khí hoặc chân không có độ thấm từ tính ( ${\mu }_0$ ) xấp xỉ $4\pi \times 10^{-7}$ H/M (Henries mỗi mét), phục vụ như một tài liệu tham khảo.

Các vật liệu sắt từ, như sắt, niken, coban và hợp kim của chúng, thể hiện tính thấm từ tính đặc biệt cao cao hơn hàng trăm đến hàng ngàn lần so với không khí. Đặc tính độc đáo này bắt nguồn từ cấu trúc nguyên tử của chúng, cụ thể là sự hiện diện của các electron không ghép đôi hoạt động như những nam châm nhỏ. Trong các vật liệu này, dưới ảnh hưởng của từ trường bên ngoài, các nam châm nguyên tử này (hoặc miền từ tính ) tự căn chỉnh, khuếch đại đáng kể từ trường tổng thể.

Khi một dây dẫn mang dòng điện là vết thương xung quanh vật liệu cốt lõi, nó sẽ tạo ra một từ trường. Nếu vật liệu cốt lõi này có độ thấm cao, nó "thu thập" hiệu quả và tập trung các đường từ trường này, truyền chúng qua cơ thể của nó. Nồng độ từ thông này là chức năng chính của lõi từ tính.

Các chức năng và ứng dụng chính

Khả năng của các lõi từ tính tập trung từ thông cho phép một số chức năng quan trọng:

• Tăng độ tự cảm: Trong một cuộn cảm, một cuộn dây tạo ra một từ trường. Không có lõi, độ tự cảm (khả năng lưu trữ năng lượng trong từ trường) là tương đối thấp. Giới thiệu một lõi từ tính có độ thấm cao làm tăng đáng kể độ tự cảm của cuộn dây, cho phép nó lưu trữ nhiều năng lượng hơn và trở nên hiệu quả hơn trong việc lọc, điều chỉnh và lưu trữ năng lượng. Sự tự cảm ( $L$ ) của một cuộn dây có lõi tỷ lệ thuận với tính thấm của lõi và bình phương của số lượt, và tỷ lệ nghịch với chiều dài đường từ.

• Truyền năng lượng hiệu quả (Transformers): Trong một máy biến áp, hai hoặc nhiều cuộn dây là vết thương xung quanh một lõi từ tính chung. Khi một dòng điện xen kẽ chảy qua cuộn dây chính, nó tạo ra một từ trường thay đổi được hướng dẫn một cách hiệu quả thông qua lõi có độ thấm cao. Thông lượng từ tính thay đổi này sau đó tạo ra một điện áp trong cuộn dây thứ cấp, cho phép truyền năng lượng điện hiệu quả giữa các mạch, với mức điện áp được đẩy lên hoặc xuống. Lõi giảm thiểu Rò rỉ thông lượng (Các đường từ trường không liên kết cả hai cuộn dây), do đó tối đa hóa hiệu quả khớp nối.

• Cải thiện khớp nối từ tính (động cơ và máy phát): Trong động cơ và máy phát điện, các lõi từ tính tạo thành các phần của stato và rôto, hướng dẫn các từ trường tạo ra mô -men xoắn hoặc tạo ra điện. Lõi đảm bảo rằng các đường từ trường tương tác hiệu quả giữa các bộ phận đứng yên và xoay, dẫn đến chuyển đổi năng lượng hiệu quả.

Các loại lõi từ tính và tính chất của chúng

Việc lựa chọn vật liệu cốt lõi từ tính là rất quan trọng và phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng dự định, đặc biệt là tần số hoạt động và mức năng lượng.

1. Lõi sắt mềm: Đây là một trong những loại lõi từ đơn giản nhất và lâu đời nhất. Sắt mềm được sử dụng do tính thấm tương đối cao và thấp Giữ chân (khả năng giữ lại từ tính của nó sau khi trường bên ngoài được loại bỏ). Chúng thường được tìm thấy trong các điện trong, nơi cần có từ trường mạnh mẽ, tạm thời.

2. Lõi thép silicon (Laminations): Cho các ứng dụng AC như Power Transformers, Thép silicon là tài liệu của sự lựa chọn. Việc bổ sung silicon (thường là 0,5% đến 4,5%) làm tăng điện trở suất và giảm tổn thất cốt lõi , cụ thể Mất hiện tại . Để tiếp tục giảm thiểu dòng điện xoáy, đang lưu hành các dòng điện được gây ra trong lõi bởi một từ trường thay đổi, các lõi này được xây dựng từ các tấm mỏng hoặc laminations được cách điện với nhau. Điều này phá vỡ các đường dẫn hiện tại, buộc chúng thành các vòng nhỏ hơn và giảm đáng kể cường độ của chúng. Tổn thất trễ , một loại mất lõi khác gây ra bởi năng lượng cần thiết để liên tục từ hóa và khử từ lõi, cũng được xem xét trong lựa chọn vật liệu; Thép silicon có một vòng trễ tương đối hẹp, cho thấy mất năng lượng thấp hơn mỗi chu kỳ.

3. Lõi ferrite: Ferrites là các hợp chất gốm chủ yếu bao gồm các oxit sắt trộn với các yếu tố kim loại khác (ví dụ: niken, kẽm, mangan). Không giống như lõi kim loại, ferrites là người cách điện , có nghĩa là chúng có điện trở suất cực kỳ cao. Khách sạn này làm cho chúng lý tưởng cho Ứng dụng tần số cao . Ferrites được phân loại thành:

   • Ferrites mềm: Được sử dụng trong các ứng dụng như máy biến áp RF, cuộn cảm và ức chế EMI. Chúng có độ ép buộc thấp (dễ dàng từ hóa và khử từ) và tổn thất tương đối thấp ở tần số cao.

   • Ferrites cứng: Được sử dụng cho nam châm vĩnh cửu do sự ép buộc và khả năng giữ chân cao của chúng.

4. Lõi permalloy: Đây là những hợp kim niken-Iron được biết đến với độ thấm từ cực cao và tính cưỡng chế thấp, đặc biệt là ở cường độ từ trường thấp. Chúng thường được sử dụng trong các cảm biến từ tính nhạy cảm, che chắn từ tính và các máy biến áp âm thanh chất lượng cao, nơi cần có hiệu suất từ ​​chính xác.

5. Lõi vô định hình và nanocrystalline: Đây là những lớp vật liệu mới hơn được hình thành bởi kim loại nóng chảy nhanh chóng, ngăn chặn sự hình thành cấu trúc tinh thể. Chúng cung cấp các tính chất từ ​​tính tuyệt vời, bao gồm tính thấm rất cao, tổn thất lõi thấp và mật độ thông lượng bão hòa cao, làm cho chúng phù hợp với các thiết bị điện tử năng lượng tần số cao và các thành phần cảm ứng tiên tiến.

Mất cốt lõi: Một sự cân nhắc thực tế

Trong khi lõi từ tính tăng cường hiệu suất, chúng không mất. Các loại tổn thất chính trong lõi từ tính trong điều kiện hiện tại xen kẽ là:

• Mất độ trễ: Như đã đề cập, đây là năng lượng tiêu tan dưới dạng nhiệt khi các miền từ tính trong vật liệu lõi liên tục tự định hướng lại trong mỗi chu kỳ từ hóa và khử từ. Nó tỷ lệ thuận với khu vực của vòng trễ của vật liệu.

• Mất hiện tại Eddy: Đây là những tổn thất điện trở gây ra bởi các dòng lưu thông không mong muốn gây ra trong chính vật liệu lõi bởi từ trường thay đổi. Chúng được giảm thiểu bằng cách sử dụng lõi nhiều lớp hoặc vật liệu có độ bền cao như Ferrites.

Các kỹ sư chọn cách tỉ mỉ các vật liệu và thiết kế cốt lõi để giảm thiểu những tổn thất này, đảm bảo hiệu quả cao nhất có thể cho ứng dụng cụ thể.

Lõi từ tính là các thành phần không thể thiếu, tận dụng các nguyên tắc của điện từ và khoa học vật chất để kiểm soát và tối ưu hóa từ trường. Khả năng tập trung thông lượng của họ, giảm tổn thất và cho phép truyền năng lượng hiệu quả khiến chúng trở nên quan trọng đối với hoạt động của vô số hệ thống điện tử và điện cung cấp năng lượng cho thế giới hiện đại của chúng ta. Hiểu hoạt động cơ bản của họ và các thuộc tính của các vật liệu cốt lõi khác nhau là điều cần thiết cho bất kỳ ai làm việc với hoặc thiết kế mạch điện.