אפיון רכיבים מגנטיים
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
מטרת הניסוי היא להשיג ניסיון מעשי עם רכיבים מגנטיים שונים מנקודות מבט עיצוביות וחו…
1. זיהוי חדירה יחסית
בצע את ההליך כדי למצוא את החמיצה היחסית של המשרן הקטן (ליבת פריט צהוב / לבן). ממדי הליבה מוצגים ב- Fig. 2, ומספר הפניות הוא N=75.
- באמצעות מד LCR, למדוד את האינדוקציה של המשרן הן 120 הרץ ו 1000 הרץ.
- לבנות את המעגל ב Fig. 1 על לוח פרוטו, אבל לשמור על פלט מחולל פונקציה מנותק מלוח הפרוטו.
- בדוק גשושית מתח דיפרנציאלית ובדיקת זרם ללא קיזוז עם הגשושית הנוכחית המחוברת בערוץ 1 ובדיקת המתח המחוברת בערוץ 2.
- שים לב לגורמי קנה המידה עבור הבדיקה הדיפרנציאלית על הגשושית עצמה ועל הטווח. הגדר את הבדיקה הדיפרנציאלית ל- 1/20 לרזולוציה טובה יותר.
- הגדר את הגשוש הנוכחי ל- 100 mV/A על הגשושית עצמה ופי 1 על הטווח. זכור שיש להשתמש בגורמי קנה מידה אלה בעת ביצוע חישובים.
- הגדר את פלט מחולל הפונקציות (מחבר פלט BNC של 50 Ω) בשיא של 10 V ובצורת גל סינוסואידית של 1000 הרץ. שים לב לצורת הגל באמצעות גשושית המתח הדיפרנציאלית.
- השאר את מחולל הפונקציה פועל גם כאשר הוא מנותק, אך הימנע מקצר את המסופים שלו. כיבוי מחולל הפונקציות מאפס הגדרות רבות.
- חבר את בדיקות הזרם והמתח כדי למדוד vC ו- i.
- ודא שהמעגל הוא לפי הרצ;א ושכל החיבורים נשמרים.
- חבר את מחולל הפונקציה למעגל.
- קח צילום מסך של הזרם והמתח הנמדדים עם לפחות שלוש תקופות המוצגות בנוסף לערכי השיא או RMS של האותות הנמדדים.
- מתפריט "תצוגה" בטווח, שנה את תבנית התצוגה מ- "YT" ל- "XY".
- התבונן בעקומת B-H על-ידי התאמת ידיות הכוונון האנכיות של ערוץ 1 וערוץ 2 עד שהעקומה תתאים למסך הטווח.
- כדי לראות עקומה יציבה יותר, השתמש באפשרות "persist" מתפריט התצוגה בהגדרה של 1 או 2 s.
- קח צילום מסך של עקומת B-H הנמדדת.
- התאם את תדר מחולל הפונקציות ל- 120 הרץ וכבוש מחדש את צילום המסך של עקומת B-H לאחר התאמת הגדרות העקומה לפי הצורך.
- נתק את מחולל הפונקציות והסר את המשרן. שמור על שאר המעגל שלם.
איור 2: מידות ליבת המשרן הקטנה יותר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
2. זיהוי מספר הפניות
המשרן השחור הגדול יותר (Bourns 1140-472K-RC) יש מספר לא ידוע של פניות. כדי לפשט את החישובים, להניח את הליבה להיות סולנואיד כל ליבת אוויר עם רדיוס של 1.5 ס"מ ואורך של 2.5 ס"מ. אם הנחה זו לא תילקח, הגיאומטריה של הליבה תצטרך להילקח בחשבון ותסבך את החישובים. עם זאת, הנחה זו עדיין סבירה בהתחשב בכך עם סולנואיד, שטף צריך לעבור באוויר משני צידי המכשיר והאוויר הוא מדיום נתיב השטף הדומיננטי.
- באמצעות מד LCR, למדוד את האידוקציה של המשרן שסופק הן 120 הרץ ו 1000 הרץ.
- מניחים את המשרן במעגל המוצג ב- Fig. 1 , אשר עדיין צריך להיות שלם מן החלק הקודם של הניסוי.
- בדוק גשושית מתח דיפרנציאלית ובדיקת זרם ללא קיזוז עם הגשושית הנוכחית המחוברת בערוץ 1 ובדיקת המתח המחוברת בערוץ 2.
- שים לב לגורמי קנה המידה עבור הבדיקה הדיפרנציאלית על הגשושית עצמה ועל הטווח. הגדר את הבדיקה הדיפרנציאלית ל- 1/20 לרזולוציה טובה יותר.
- הגדר את הגשוש הנוכחי ל- 100 mV/A על הגשושית עצמה ופי 1 על הטווח. זכור כי יש להשתמש בגורמי קנה מידה אלה בעת ביצוע חישובים המשתמשים במדידות או בלכידות נתונים לניתוח נוסף.
- הגדר את פלט מחולל הפונקציות (מחבר פלט BNC של 50 Ω) בשיא של 10 V ובצורת גל סינוסואידית של 1000 הרץ. שים לב לצורת הגל באמצעות גשושית המתח הדיפרנציאלית.
- השאר את מחולל הפונקציה פועל גם כאשר הוא מנותק, אך הימנע מקצר את המסופים שלו. כיבוי מחולל הפונקציות מאפס הגדרות רבות.
- חבר את בדיקות הזרם והמתח כדי למדוד vC ו- i.
- בדוק את המעגל וודא שהחיבורים רצויים.
- חבר את מחולל הפונקציה למעגל.
- קח צילום מסך של הזרם והמתח הנמדדים עם לפחות שלוש תקופות המוצגות בנוסף לערכי השיא או RMS של האותות הנמדדים.
- מתפריט "תצוגה" בטווח, שנה את תבנית התצוגה מ- "YT" ל- "XY".
- התבונן בעקומת B-H על-ידי התאמת ידיות הכוונון האנכיות של ערוץ 1 וערוץ 2 עד שהעקומה תתאים למסך הטווח.
- כדי לראות עקומה יציבה יותר, השתמש באפשרות "persist" מתפריט התצוגה בהגדרה של 1 או 2 s.
- קח צילום מסך של עקומת B-H הנמדדת.
- התאם את תדר מחולל הפונקציות ל- 120 הרץ וכבוש מחדש את צילום המסך של עקומת B-H לאחר התאמת הגדרות העקומה לפי הצורך.
- כבה את מחולל הפונקציה ופרק את המעגל.
עקומת 3.B-H של שנאי 60 הרץ
השנאי המשמש בהדגמה זו יורד 115 V RMS ל 24 V RMS, אך ניתן להשתמש בו רק לאפיון עקומת B-H בניסוי זה, ולכן נעשה שימוש רק במסופי RMS 120 V. מידות השנאי מוצגות בתג 3.
- באמצעות מד LCR, למדוד את האינדוקציה של 115 V-צד מתפתל ב 120 הרץ (קרוב יותר מדורג 60 הרץ).
- ודא שמתג הניתוק תלת-פאזי נמצא במצב כבוי.
- חבר את הכבל המשולש ל- VARIAC.
- בנה את המעגל המוצג בתאנה 4. שהשני ישב בצד של הלוח הפרוטו. השתמש בכבלי בננה כדי לחבר AC1 ו- N מן VARIAC ללוח הפרוטו.
- ודא שה-VARIAC מוגדרת ב- 0%.
- בדוק גשושית מתח דיפרנציאלית ובדיקת זרם ללא קיזוז עם הגשושית הנוכחית המחוברת בערוץ 1 ובדיקת המתח המחוברת בערוץ 2.
- שים לב לגורמי קנה המידה עבור הבדיקה הדיפרנציאלית על הגשושית עצמה ועל הטווח. הגדר את קנה המידה של הבדיקה הדיפרנציאלית ל- 1/200.
- הגדר את הגשוש הנוכחי ל- 100 mV/A על הגשושית עצמה ופי 1 על הטווח. זכור שיש להשתמש בגורמי קנה מידה אלה בעת ביצוע חישובים.
- חבר את בדיקות הזרם והמתח כדי למדוד vC ו- i.
- בדוק את המעגל.
- הפעל את מתג הניתוק המשולש והתאימו לאט את ה-VARIAC עד להגעה ל-90%.
- קח צילום מסך של הזרם והמתח הנמדדים עם לפחות שלוש תקופות המוצגות בנוסף לערכי השיא או RMS של האותות הנמדדים.
- מתפריט "תצוגה" בטווח, שנה את תבנית התצוגה מ- "YT" ל- "XY".
- התבונן בעקומת B-H על-ידי התאמת ידיות הכוונון האנכיות של ערוץ 1 וערוץ 2 עד שהעקומה תתאים למסך הטווח.
- כדי לראות עקומה יציבה יותר, השתמש באפשרות "persist" מתפריט התצוגה בהגדרה של 1 או 2 s.
- קח צילום מסך של עקומת B-H הנמדדת.
- שחזר את ה- VARIAC ל- 0%, כבה את מתג הניתוק ופרק את המעגל.
איור 3: מידות ליבת השנאי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: בדוק מעגל כדי לקבוע את עקומת B-H של שנאי 60 הרץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
לאלמנטים מגנטיים, כגון משרנים או שנאים, יש תכונות אופייניות התלויות בחומר המגנטי היוצר את הליבה בתוך הסליל. כאשר זרם זורם בסליל משרן או שנאי, הוא יוצר שדה מגנטי. היכולת של חומר הליבה להחזיק את השדה המגנטי, הנקראת החדירות שלו, קובעת את עוצמת השדה, הנקראת כוח המגנטיות שלו. לאחר מכן הכוח הממגנט מייצר שטף מגנטי בליבת המשרן. במשרנים ובשנאי, הקשר בין כוח מגנטי לצפיפות שטף מוגדר כשטף המגנטי דרך שטח חתך וניתן לנתח אותו באמצעות עקומת BH. עקומת BH מתארת את חומר הליבה ומזהה את גבול הרוויה המגנטית שלו. זה קורה כאשר זרם נוסף דרך הפיתולים כבר לא מגביר את השטף המגנטי. סרטון זה ממחיש את מדידת עקומות BH עבור משרנים ושנאים ואת אפיון חומר הליבה וליפופי המשרנים.
עקומת B-H מראה את הקשר בין צפיפות השטף המגנטי, B, ועוצמת השדה המגנטי, H. בתחילה, ככל שעוצמת השדה המגנטי גדלה, צפיפות השטף עולה גם לערך מקסימלי מסוים. לאחר נקודה זו, כל עלייה בעוצמת השדה המגנטי אינה מביאה לעלייה משמעותית בצפיפות השטף המגנטי והחומר נחשב לרווי. חומרים מגנטיים אמיתיים מציגים היסטרזיס מכיוון שהחומר ממוגנט לסירוגין בכיוונים החיוביים והשליליים. זה מרמז שכאשר עוצמת השדה המגנטי מצטמצמת בחזרה לאפס, נשארת מגנטיות שיורית מסוימת. השטח בתוך עקומת BH הוא פרופורציונלי לאובדן האנרגיה מכיוון שהחומר ממוגנט בכיוונים החיוביים והשליליים. חומר עם אובדן היסטרזיס נמוך יותר, כגון פלדה, משמש בדרך כלל בליבות שנאים בשל מאפיין זה. עקומת BH יכולה לשמש גם לתיאור חדירות של חומר, המחושבת כיחס בין צפיפות השטף המגנטי לעוצמת השדה המגנטי. זה קשור לעתים קרובות לחדירות של שטח פנוי ולכן נקרא חדירות יחסית. לחומרים בעלי רגישות מגנטית נמוכה מאוד, כמו עץ, יש חדירות יחסית נמוכה. כאשר לחומרים בעלי רגישות מגנטית גבוהה, כמו ברזל, יש חדירות יחסית גבוהה. על מנת ליצור עקומת B-H, תחילה יש לקבוע את צפיפות השטף, B. לשם כך נמדד קצב השטף של השינוי, שהוא יחסית למתח על פני הסליל באמצעות חוק פאראדיי. ניתן לזהות זאת באמצעות מעגל RC פשוט במקביל לסליל. למידע מפורט יותר על חישובים אלה, עיין בפרוטוקול הטקסט. ניתן למצוא את עוצמת השדה המגנטי, או H, באמצעות חוק אמפר ומשתנים מדידים, הזרם בסליל, מספר הסיבובים המתפתלים והאורך הממוצע של הליבה. ניתן להעריך את עקומת ה-BH של חומר ממדידות זרם ואינטגרל הזמן של המתח על פני האלמנט. כאשר מספר הסיבובים והממדים של היסודות ידועים גם הם, ניתן להגדיל אותם לכמויות בפועל. כעת, בואו נדגים כיצד למדוד חדירות יחסית ולחשב עקומות BH.
בניסויים אלה נמדדים שלושה רכיבים מגנטיים, משרן קטן עם ליבת פריט, משרן שחור גדול יותר עם מספר סיבובים לא ידוע ושנאי 60 הרץ. התחל עם המשרן הקטן עם הממדים כפי שמוצג, וסיבוב מתפתל מספר 75. ראשית, מדוד את השראות המשרן ב-120 ו-1,000 הרץ באמצעות מד LCR. שנית, בנה את המעגל כפי שמוצג, תוך שמירה על פלט מחולל הפונקציות על 50 אוהם וכבל מחבר BNC מנותק. לאחר מכן, חבר את בדיקות המתח והזרם הדיפרנציאלי וודא שאין קיזוזים. הגדר את הגשושית הדיפרנציאלית ל-120 לרזולוציה טובה יותר. לבסוף, הגדר את הגשושית הנוכחית ל-100 מילי-וולט לאמפר על הגשושית ו-1x על ההיקף. ושימו לב לגורמי קנה המידה הללו לחישובים מאוחרים יותר. הגדר את פלט מחולל הפונקציות לצורת גל סוטו סינוס של 1,000 הרץ עם שיא של 10 וולט. מדוד VC ו-I, חבר את מחולל הפונקציות וודא שכל חיבורי המעגל הם כפי שמוצג. לאחר מכן, רשום את הזרם והמתח הנמדדים. לבסוף, שנה את פורמט תצוגת האוסילוסקופ מ-yt ל-xy כדי להציג את עקומת BH. כוונן את הערוץ הראשון ואת שני כפתורי הכוונון האנכיים עד שהעקומה תתאים למסך ההיקף. לאחר מכן, ייצב את העקומה על ידי הגדרת אפשרות ההתמדה עבור התצוגה. ואז, צלם צילום מסך של העקומה. לבסוף, כוונן את תדר מחולל הפונקציות ל-120 הרץ וצלם מחדש את צילום המסך של עקומת BH לאחר התאמת הגדרות העקומה לפי הצורך. לבסוף, נתק את מחולל הפונקציות והסר את המשרן. שמור על שאר המעגל שלם.
כדי לקבוע את מספר הסיבובים עבור המשרן הגדול יותר, בואו נמדוד תחילה את עקומת ה-BH שלו. על מנת לפשט את החישובים, נניח שהליבה היא ליבה של כל האוויר. ראשית, מדוד את השראות המשרן ב-120 ו-1,000 הרץ באמצעות מד ה-LCR. לאחר מכן, הנח את המשרן במעגל ה- RC. מדוד את עקומת ה-B-H עבור המשרן הגדול יותר באמצעות אותו הליך המתואר עבור המשרן הקטן. התבונן ורשום את הזרם והמתח הנמדדים. הצג את עקומת B-H. כוונן את תדר מחולל הפונקציות ל-120 הרץ והתאם את הגדרות העקומה לפי הצורך.
שנאים חד פאזיים מורכבים משני פיתולים המחוברים על ידי ליבה מגנטית. כאן נמדדת עקומת BH עבור שנאי 60 הרץ. בעזרת מד ה-LCR, מדוד את ההשראות של סלילת הצד של 115 וולט ב-120 הרץ. לאחר מכן, הרכיבו את המעגל על ידי חיבור AC1 ו-N מה-variac לצד הראשוני של השנאי דרך מעגל האב-לוח באמצעות כבלי בננה. התאם את גורמי קנה המידה ופרמטרי מחולל הפונקציות כפי שתוארו קודם לכן. כאשר ה-variac ב-90 אחוז, מדוד את הזרם והמתח. לאחר מכן, הצג והקלט את עקומת BH.
אם ידועים מספר הסיבובים לסליל, אורך הליבה הממוצע ושטח החתך, אז השראות הסליל נמדדת ישירות, וניתן לחשב את החדירות היחסית. לחלופין, ניתן להשתמש בעקומת BH נמדדת כדי לקבוע חדירות יחסית של אלמנט ולאחר מכן לחשב את מספר הסיבובים בסליל. באזור הליניארי של עקומת BH, ניתן למצוא את החדירות היחסית מהשיפוע. באמצעות חדירות יחסית, ובהתחשב בכך שממדי ההשראות והליבה ידועים, ניתן לחשב בקלות את מספר הסיבובים באמצעות הקשר הבא.
משרנים והתקנים אלקטרומגנטיים אחרים, כמו שנאים, נפוצים במערכות חשמליות, אלקטרוניות ומכניות רבות. רשת החשמל מספקת חשמל לצרכנים על ידי חלוקת חשמל במתח גבוה למרחקים ארוכים באמצעות קווי הולכה. נדרשים מתחים גבוהים למרחקים ארוכים כדי לפצות על הפסדי אנרגיה. שנאים משמשים לאורך קווי חשמל כדי להוריד את מתחי ההולכה הגבוהים יותר לרמות הנמוכות יותר הדרושות בתחנות חלוקה ולאספקת משתמשי קצה. שנאים מעבירים אנרגיה באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית, המאפשרת הורדה מבוקרת של מתחי AC. הם מעוצבים בדרך כלל עם ליבות פלדה בגלל נקודת הרוויה המגנטית הגבוהה של הפלדה. מגנט הסטטור גורם לשדה מגנטי מסתובב ברוטור וגורם לרוטור להסתובב. למעשה, הסטטור הוא הפיתול העיקרי של שנאי, וכלוב הסנאי, הפיתול המשני. מנועי אינדוקציה AC משמשים במגוון גדול של יישומים. המנוע מורכב ממגנט פצע נייח חיצוני, והליבה הפרומגנטית הפנימית של הרוטור. בדרך כלל, סידור גלילי של סורגים מוליכים היוצרים את כלוב הסנאי.
זה עתה צפיתם במבוא של JoVE לאפיון רכיבים מגנטיים. כעת עליך להבין כיצד למדוד עקומות BH של משרנים ושנאים, תוך זיהוי גורמי תכנון לא ידועים, כגון חדירות יחסית ומספר סיבוב. תודה שצפית.
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.