توصيف المكونات المغناطيسية
المصدر: علي بزي ، قسم الهندسة الكهربائية ، جامعة كونيتيكت ، ستورز ، كونيتيكت
الهدف من هذه التجربة هو تحقيق تجربة عملية مع المكونات المغناطيسية المختلف…
p class = "jove_title" >1. تحديد النفاذية النسبية
اتبع الإجراء للعثور على النفاذية النسبية للمحث الصغير (قلب الفريت الأصفر / الأبيض). تظهر الأبعاد الأساسية في الشكل 2 ، وعدد المنعطفات هو N = 75.
- باستخدام مقياس LCR ، قم بقياس محاثة المحرض عند 120 هرتز و 1000 هرتز.
- قم ببناء الدائرة في الشكل 1 على لوحة أولية ، ولكن حافظ على إخراج مولد الوظائف منفصلا عن اللوحة الأولية.
- تحقق من مسبار الجهد التفاضلي ومسبار التيار لعدم وجود إزاحات مع توصيل المسبار الحالي بالقناة 1 ومسبار الجهد المتصل بالقناة 2.
- لاحظ عوامل القياس للمسبار التفاضلي على المسبار نفسه وعلى النطاق. اضبط المسبار التفاضلي على 1/20 للحصول على دقة أفضل.
- اضبط المسبار الحالي على 100 مللي فولت / أمبير على المسبار نفسه و 1X على النطاق. تذكر أنه يجب استخدام عوامل القياس هذه عند إجراء العمليات الحسابية.
- اضبط إخراج مولد الوظيفة (موصل إخراج BNC Ω 50) عند ذروة 10 فولت وشكل موجة جيبية 1000 هرتز. راقب شكل الموجة باستخدام مسبار الجهد التفاضلي.
- اترك مولد الوظائف قيد التشغيل حتى عند فصله ، ولكن تجنب تقصير أطرافه. يؤدي إيقاف تشغيل منشئ الوظائف إلى إعادة تعيين العديد من الإعدادات.
- قم بتوصيل مجسات التيار والجهد لقياس vC و i.
- تأكد من أن الدائرة كما هو مطلوب وأن جميع التوصيلات محفوظة.
- قم بتوصيل مولد الوظائف بالدائرة.
- التقط لقطة شاشة للتيار والجهد المقاسين مع ثلاث فترات على الأقل موضحة بالإضافة إلى قيم الذروة أو RMS للإشارات المقاسة.
- من قائمة "العرض" في النطاق ، قم بتغيير تنسيق العرض من "YT" إلى "XY".
- راقب منحنى B-H عن طريق ضبط مقابض الضبط الرأسي للقناة 1 والقناة 2 حتى يتناسب المنحنى مع شاشة النطاق.
- لرؤية منحنى أكثر ثباتا ، استخدم خيار "استمرار" من قائمة العرض بإعداد 1 أو 2 ثانية.
- التقط لقطة شاشة لمنحنى B-H المقاس.
- اضبط تردد مولد الوظيفة على 120 هرتز وأعد التقاط لقطة شاشة منحنى BH بعد ضبط إعدادات المنحنى حسب الحاجة.
- افصل مولد الوظيفة وقم بإزالة المحرض. حافظ على باقي الدائرة سليمة.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 2: أبعاد قلب المحرض الأصغر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. تحديد عدد المنعطفات
المحث الأسود الأكبر (Bourns 1140-472K-RC) له عدد غير معروف من المنعطفات. لتبسيط العمليات الحسابية ، افترض أن اللب هو ملف لولبي هوائي بالكامل نصف قطره 1.5 سم وطول 2.5 سم. إذا لم يتم أخذ هذا الافتراض ، فسيتعين النظر في هندسة النواة وستعقد الحسابات. ومع ذلك ، لا يزال هذا الافتراض معقولا نظرا لأنه مع الملف اللولبي ، يجب أن يمر التدفق عبر الهواء على جانبي الجهاز والهواء هو وسط مسار التدفق السائد.
- باستخدام مقياس LCR ، قم بقياس محاثة المحرض المقدم عند 120 هرتز و 1000 هرتز.
- ضع المحرض في الدائرة الموضحة في الشكل 1 ، والتي يجب أن تظل سليمة من الجزء السابق من التجربة.
- تحقق من مسبار الجهد التفاضلي ومسبار التيار لعدم وجود إزاحات مع توصيل المسبار الحالي بالقناة 1 ومسبار الجهد المتصل بالقناة 2.
- لاحظ عوامل القياس للمسبار التفاضلي على المسبار نفسه وعلى النطاق. اضبط المسبار التفاضلي على 1/20 للحصول على دقة أفضل.
- اضبط المسبار الحالي على 100 مللي فولت / أمبير على المسبار نفسه و 1X على النطاق. تذكر أنه يجب استخدام عوامل القياس هذه عند إجراء العمليات الحسابية باستخدام أي قياسات أو التقاط بيانات لمزيد من التحليل.
- اضبط إخراج مولد الوظيفة (موصل إخراج BNC Ω 50) عند ذروة 10 فولت وشكل موجة جيبية 1000 هرتز. راقب شكل الموجة باستخدام مسبار الجهد التفاضلي.
- اترك مولد الوظائف قيد التشغيل حتى عند فصله ، ولكن تجنب تقصير أطرافه. يؤدي إيقاف تشغيل منشئ الوظائف إلى إعادة تعيين العديد من الإعدادات.
- قم بتوصيل مجسات التيار والجهد لقياس vC و i.
- تحقق من الدائرة ، وتأكد من أن التوصيلات حسب الرغبة.
- قم بتوصيل مولد الوظائف بالدائرة.
- التقط لقطة شاشة للتيار والجهد المقاسين مع ثلاث فترات على الأقل موضحة بالإضافة إلى قيم الذروة أو RMS للإشارات المقاسة.
- من قائمة "العرض" في النطاق ، قم بتغيير تنسيق العرض من "YT" إلى "XY".
- راقب منحنى B-H عن طريق ضبط مقابض الضبط الرأسي للقناة 1 والقناة 2 حتى يتناسب المنحنى مع شاشة النطاق.
- لرؤية منحنى أكثر ثباتا ، استخدم خيار "استمرار" من قائمة العرض بإعداد 1 أو 2 ثانية.
- التقط لقطة شاشة لمنحنى B-H المقاس.
- اضبط تردد مولد الوظيفة على 120 هرتز وأعد التقاط لقطة شاشة منحنى BH بعد ضبط إعدادات المنحنى حسب الحاجة.
- قم بإيقاف تشغيل مولد الوظائف وتفكيك الدائرة.
3. منحنى B-H لمحول 60 هرتز
المحول المستخدم في هذا العرض التوضيحي ينخفض من 115 فولت RMS إلى 24 فولت RMS ، ولكن لا يمكن استخدامه إلا لتوصيف منحنى BH في هذه التجربة ، وبالتالي يتم استخدام أطراف 120 فولت RMS فقط. أبعاد المحول موضحة في الشكل 3.
- باستخدام مقياس LCR ، قم بقياس محاثة الملف الجانبي 115 V عند 120 هرتز (أقرب إلى 60 هرتز المقدرة).
- تأكد من أن مفتاح الفصل ثلاثي الطور في وضع إيقاف التشغيل.
- قم بتوصيل الكبل ثلاثي الطور ب VARIAC.
- قم ببناء الدائرة الموضحة في الشكل 4. اجعل المحول يجلس على جانب اللوحة الأولية. استخدم كبلات الموز لتوصيل AC1 و N من VARIAC باللوحة الأولية.
- تأكد من ضبط VARIAC على 0٪.
- تحقق من مسبار الجهد التفاضلي ومسبار التيار لعدم وجود إزاحات مع توصيل المسبار الحالي بالقناة 1 ومسبار الجهد المتصل بالقناة 2.
- قم بتدوين عوامل القياس للمسبار التفاضلي على المسبار نفسه وعلى النطاق. اضبط تحجيم المسبار التفاضلي على 1/200.
- اضبط المسبار الحالي على 100 مللي فولت / أمبير على المسبار نفسه و 1X على النطاق. تذكر أنه يجب استخدام عوامل القياس هذه عند إجراء العمليات الحسابية.
- قم بتوصيل مجسات التيار والجهد لقياس vC و i.
- تحقق من الدائرة.
- قم بتشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ، واضبط VARIAC ببطء حتى يتم الوصول إلى 90٪.
- التقط لقطة شاشة للتيار والجهد المقاسين مع ثلاث فترات على الأقل موضحة بالإضافة إلى قيم الذروة أو RMS للإشارات المقاسة.
- من قائمة "العرض" في النطاق ، قم بتغيير تنسيق العرض من "YT" إلى "XY".
- راقب منحنى B-H عن طريق ضبط مقابض الضبط الرأسي للقناة 1 والقناة 2 حتى يتناسب المنحنى مع شاشة النطاق.
- لرؤية منحنى أكثر ثباتا ، استخدم خيار "استمرار" من قائمة العرض بإعداد 1 أو 2 ثانية.
- التقط لقطة شاشة لمنحنى B-H المقاس.
- قم باستعادة VARIAC إلى 0٪ ، وقم بإيقاف تشغيل مفتاح الفصل ، وقم بتفكيك الدائرة.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 3: أبعاد قلب المحول. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 4: دائرة اختبار لتحديد منحنى BH لمحول 60 هرتز. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
العناصر المغناطيسية ، مثل المحاثات أو المحولات ، لها خصائص مميزة تعتمد على المادة المغناطيسية التي تشكل النواة داخل الملف. عندما يتدفق التيار في ملف محث أو محول ، فإنه يخلق مجالا مغناطيسيا. تحدد قدرة المادة الأساسية على الاحتفاظ بالمجال المغناطيسي ، والتي تسمى نفاذيتها ، قوة المجال ، والتي تسمى قوتها الممغنطة. ثم تنتج القوة الممغنطة تدفقا مغناطيسيا في قلب المحرض. في المحاثات والمحولات ، يتم تعريف العلاقة بين قوة الممغنطة وكثافة التدفق على أنها التدفق المغناطيسي عبر منطقة المقطع العرضي ويمكن تحليلها باستخدام منحنى BH. يصف منحنى B-H المادة الأساسية ويحدد حد التشبع المغناطيسي. يحدث هذا عندما لا يؤدي التيار الإضافي عبر اللفات إلى زيادة التدفق المغناطيسي. يوضح هذا الفيديو قياس منحنيات BH للمحاثات والمحولات وتوصيف المادة الأساسية ولفات المحرض.
يوضح منحنى B-H العلاقة بين كثافة التدفق المغناطيسي ، B ، وشدة المجال المغناطيسي ، H. في البداية ، مع زيادة شدة المجال المغناطيسي ، تزداد كثافة التدفق أيضا إلى قيمة قصوى معينة. بعد هذه النقطة ، لا تؤدي أي زيادة في شدة المجال المغناطيسي إلى زيادة كبيرة في كثافة التدفق المغناطيسي وتعتبر المادة مشبعة. تظهر المواد المغناطيسية الحقيقية التباطؤ حيث يتم ممغنط المادة بالتناوب في الاتجاهين الإيجابي والسلبي. هذا يعني أنه مع تقليل شدة المجال المغناطيسي مرة أخرى إلى الصفر ، تبقى بعض المغناطيسية المتبقية. تتناسب المنطقة الموجودة داخل منحنى B-H مع فقدان الطاقة حيث يتم ممغنط المادة في الاتجاهين الموجب والسلبي. تستخدم المادة ذات فقدان التباطؤ المنخفض ، مثل الفولاذ ، بشكل شائع في نوى المحولات بسبب هذه الخاصية. يمكن أيضا استخدام منحنى BH لوصف نفاذية المادة ، محسوبة على أنها نسبة كثافة التدفق المغناطيسي إلى شدة المجال المغناطيسي. غالبا ما يرتبط بنفاذية الفضاء الحر وبالتالي يطلق عليه النفاذية النسبية. المواد ذات القابلية المغناطيسية المنخفضة جدا ، مثل الخشب ، لها نفاذية نسبية منخفضة. حيث أن المواد ذات القابلية المغناطيسية العالية ، مثل الحديد ، لها نفاذية نسبية عالية. من أجل إنشاء منحنى B-H ، يجب أولا تحديد كثافة التدفق ، B. لهذا ، يتم قياس معدل التدفق للتغيير ، وهو ما يتعلق بالجهد عبر الملف باستخدام قانون فاراداي. يمكن تحديد ذلك باستخدام دائرة RC بسيطة بالتوازي مع الملف. لمزيد من المعلومات التفصيلية حول هذه الحسابات ، يرجى الرجوع إلى بروتوكول النص. يمكن العثور على شدة المجال المغناطيسي ، أو H ، باستخدام قانون أمبير والمتغيرات القابلة للقياس ، والتيار في الملف ، وعدد المنعطفات المتعرجة ، ومتوسط طول القلب. يمكن تقدير منحنى BH للمادة من قياسات التيار والوقت المتكامل للجهد عبر العنصر. عندما يكون عدد المنعطفات وأبعاد العناصر معروفا أيضا ، يمكن قياسها إلى الكميات الفعلية. الآن ، دعنا نوضح كيفية قياس النفاذية النسبية وحساب منحنيات BH.
في هذه التجارب ، يتم قياس ثلاثة مكونات مغناطيسية ، محث صغير بنواة من الفريت ، ومحث أسود أكبر بعدد غير معروف من الدورات ، ومحول 60 هرتز. ابدأ بالمحرض الصغير بأبعاد كما هو موضح ، وعدد الدوران الملفوف 75. أولا ، قم بقياس محاثة المحرض عند 120 و 1,000 هرتز باستخدام مقياس LCR. ثانيا ، قم ببناء الدائرة كما هو موضح ، مع الحفاظ على إخراج مولد الوظيفة عند 50 أوم وكابل موصل BNC منفصل. بعد ذلك ، قم بتوصيل الجهد التفاضلي ومجسات التيار وتحقق من عدم وجود تعويضات. اضبط المسبار التفاضلي على 120 للحصول على دقة أفضل. أخيرا ، اضبط المسبار الحالي على 100 مللي فولت لكل أمبير على المسبار و 1x على النطاق. ولاحظ عوامل القياس هذه للحسابات اللاحقة. اضبط إخراج مولد الوظائف على شكل موجة جيبية 1,000 هرتز مع ذروة 10 فولت. قم بقياس VC و I ، وقم بتوصيل مولد الوظائف وتحقق من أن جميع توصيلات الدوائر كما هو موضح. ثم سجل التيار والجهد المقاسين. أخيرا ، قم بتغيير تنسيق عرض راسم الذبذبات من yt إلى xy لعرض منحنى BH. اضبط القناة الأولى والقناة اثنين من مقابض الضبط الرأسية حتى يتناسب المنحنى مع شاشة النطاق. بعد ذلك ، قم بتثبيت المنحنى عن طريق تعيين خيار الاستمرار للشاشة. وبعد ذلك ، التقط لقطة شاشة للمنحنى. أخيرا ، اضبط تردد مولد الوظائف على 120 هرتز وأعد التقاط لقطة شاشة منحنى BH بعد ضبط إعدادات المنحنى حسب الحاجة. أخيرا ، افصل مولد الوظائف وقم بإزالة المحرض. حافظ على باقي الدائرة سليمة.
لتحديد عدد المنعطفات للمحث الأكبر ، دعنا نقيس أولا منحنى B-H. من أجل تبسيط العمليات الحسابية ، افترض أن النواة عبارة عن نواة هوائية بالكامل. أولا ، قم بقياس محاثة المحرض عند 120 و 1,000 هرتز باستخدام مقياس LCR. ثم ضع المحرض في دائرة RC. قم بقياس منحنى B-H للمحث الأكبر باستخدام نفس الإجراء الموصوف للمحث الصغير. مراقبة وتسجيل التيار والجهد المقاسين. عرض منحنى BH. اضبط تردد مولد الوظيفة على 120 هرتز واضبط إعدادات المنحنى حسب الحاجة.
تتكون المحولات أحادية الطور من ملفين مقترنين بنواة مغناطيسية. هنا ، يتم قياس منحنى BH لمحول 60 هرتز. باستخدام مقياس LCR ، قم بقياس محاثة الملف الجانبي 115 فولت عند 120 هرتز. بعد ذلك ، قم بتجميع الدائرة عن طريق توصيل AC1 و N من variac إلى الجانب الأساسي للمحول من خلال دائرة الألواح الأولية باستخدام كبلات الموز. اضبط عوامل القياس ومعلمات مولد الوظائف كما هو موضح سابقا. مع المvariac عند 90 بالمائة ، قم بقياس التيار والجهد. ثم قم بعرض وتسجيل منحنى BH.
إذا كان عدد لفات الملف ومتوسط طول اللب ومساحة المقطع العرضي معروفا ، قياس محاثة الملف مباشرة ، ويمكن حساب النفاذية النسبية. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام منحنى BH المقاس لتحديد النفاذية النسبية لعنصر ما ثم حساب عدد المنعطفات في الملف. في المنطقة الخطية لمنحنى B-H ، يمكن العثور على النفاذية النسبية من المنحدر. باستخدام النفاذية النسبية ، وبالنظر إلى أن الأبعاد المحاثة والنواة معروفة ، يمكن حساب عدد المنعطفات بسهولة باستخدام العلاقة التالية.
المحاثات والأجهزة الكهرومغناطيسية الأخرى ، مثل المحولات ، شائعة في العديد من الأنظمة الكهربائية والإلكترونية والميكانيكية. توفر شبكة الطاقة الكهرباء للمستهلكين من خلال توزيع الكهرباء عالية الجهد لمسافات طويلة عبر خطوط النقل. الفولتية العالية مطلوبة لمسافات طويلة للتعويض عن فقد الطاقة. تستخدم المحولات على طول خطوط الكهرباء لخفض جهد النقل العالي إلى المستويات الدنيا المطلوبة في محطات التوزيع ولإمداد المستخدم النهائي. تنقل المحولات الطاقة من خلال الحث الكهرومغناطيسي ، مما يتيح التحكم في التنحي عن جهد التيار المتردد. يتم تصميمها بشكل شائع مع النوى الفولاذية بسبب نقطة التشبع المغناطيسي العالية للفولاذ. يحفز مغناطيس الجزء الثابت مجالا مغناطيسيا دواريا في الدوار مما يتسبب في دوران الدوار. بشكل فعال ، الجزء الثابت هو اللف الأساسي للمحول ، وقفص السنجاب ، الملف الثانوي. تستخدم المحركات الحثية للتيار المتردد في مجموعة كبيرة ومتنوعة من التطبيقات. يتكون المحرك من مغناطيس الجرح الخارجي الثابت ، والنواة المغناطيسية الداخلية للدوار. عادة ، ترتيب أسطواني من القضبان الموصلة تشكل قفص السنجاب.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتوصيف المكونات المغناطيسية. يجب أن تفهم الآن كيفية قياس منحنيات BH للمحاثات والمحولات ، مع تحديد عوامل التصميم غير المعروفة ، مثل النفاذية النسبية ورقم الدوران. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What does a B-H curve tell you about magnetic material?
A B-H curve shows the relationship between magnetic flux density (B) and magnetic field strength (H) for a core material. It identifies the magnetic saturation limit, where additional current no longer increases magnetic flux. The curve also reveals hysteresis loss, which is the energy dissipated as the material is magnetized in positive and negative directions.
Q2: Why is steel commonly used in transformer cores?
Steel is preferred for transformer cores because it exhibits lower hysteresis loss compared to other magnetic materials. This property reduces energy dissipation during magnetization cycles. Steel also has a high magnetic saturation point, making it suitable for handling the magnetic flux demands in transformers used throughout power distribution systems.
Q3: How is relative permeability calculated from a B-H curve?
Relative permeability is calculated as the ratio of magnetic flux density to magnetic field strength. In the linear region of the B-H curve, relative permeability can be found directly from the slope. Once relative permeability is determined, it can be used to calculate unknown design factors like the number of turns in a coil when inductance and core dimensions are known.
Q4: What causes magnetic hysteresis in core materials?
Magnetic hysteresis occurs because residual magnetism remains in the material even after the magnetic field is reduced to zero. As the material is alternately magnetized in positive and negative directions, this residual magnetism creates a lag between applied field strength and resulting flux density. The area enclosed by the B-H curve is proportional to the energy lost during this cyclic magnetization process.
Q5: How do you measure magnetic flux density in an inductor or transformer?
Magnetic flux density is determined by measuring the flux rate of change using Faraday's Law, which relates it to the voltage across the coil. An RC circuit in parallel with the coil is used to measure this voltage. Combined with the number of winding turns and core dimensions, these measurements can be scaled to calculate actual flux density values for creating B-H curves.
Q6: What is magnetic saturation and why does it matter?
Magnetic saturation occurs when additional current through the windings no longer increases magnetic flux in the core. At this point, the material reaches its maximum flux density capacity. Understanding saturation limits is critical for inductor and transformer design, as exceeding saturation can cause core heating, reduced efficiency, and potential device failure in electrical systems.
Q7: How does permeability differ between materials like iron and wood?
Materials with high magnetic susceptibility, such as iron, have high relative permeability and strongly support magnetic field formation. Conversely, materials with low magnetic susceptibility, like wood, have low relative permeability and provide minimal magnetic field support. This difference determines how effectively a material can be used as a core in inductors and transformers.