Caratterizzazione dei componenti magnetici

Gli elementi magnetici, come induttori o trasformatori, hanno proprietà caratteristiche che dipendono dal materiale magnetico che forma il nucleo all'interno della bobina. Quando la corrente scorre in un induttore o in una bobina del trasformatore, crea un campo magnetico. La capacità del materiale del nucleo di trattenere il campo magnetico, chiamata permeabilità, determina l'intensità del campo, chiamata forza magnetizzante. La forza di magnetizzazione produce quindi un flusso magnetico nel nucleo dell'induttore. Negli induttori e nei trasformatori, la relazione tra la forza di magnetizzazione e la densità di flusso è definita come il flusso magnetico attraverso un'area della sezione trasversale e può essere analizzata utilizzando una curva B-H. La curva B-H descrive il materiale del nucleo e identifica il suo limite di saturazione magnetica. Ciò si verifica quando la corrente aggiuntiva attraverso gli avvolgimenti non aumenta più il flusso magnetico. Questo video illustra la misurazione delle curve BH per induttori e trasformatori e la caratterizzazione del materiale del nucleo e degli avvolgimenti degli induttori.

Una curva B-H mostra la relazione tra la densità del flusso magnetico, B, e l'intensità del campo magnetico, H. Inizialmente, all'aumentare dell'intensità del campo magnetico, anche la densità del flusso aumenta fino a un certo valore massimo. Dopo questo punto, qualsiasi aumento dell'intensità del campo magnetico non comporta alcun aumento significativo della densità del flusso magnetico e il materiale è considerato saturo. I materiali magnetici reali mostrano isteresi poiché il materiale è magnetizzato alternativamente nelle direzioni positiva e negativa. Ciò implica che quando l'intensità del campo magnetico viene ridotta a zero, rimane un po' di magnetismo residuo. L'area all'interno della curva B-H è proporzionale alla perdita di energia poiché il materiale è magnetizzato nelle direzioni positiva e negativa. Un materiale con una minore perdita di isteresi, come l'acciaio, è comunemente usato nei nuclei dei trasformatori a causa di questa proprietà. La curva B-H può essere utilizzata anche per descrivere la permeabilità di un materiale, calcolata come il rapporto tra la densità del flusso magnetico e l'intensità del campo magnetico. È spesso correlata alla permeabilità dello spazio libero e quindi definita permeabilità relativa. I materiali con una suscettibilità magnetica molto bassa, come il legno, hanno una bassa permeabilità relativa. Mentre i materiali con un'elevata suscettibilità magnetica, come il ferro, hanno un'elevata permeabilità relativa. Per creare una curva B-H, è necessario prima determinare la densità di flusso, B. Per questo, viene misurata la velocità di variazione del flusso, che è relativa alla tensione attraverso la bobina utilizzando la legge di Faraday. Questo può essere identificato utilizzando un semplice circuito RC in parallelo con la bobina. Per informazioni più dettagliate su questi calcoli, fare riferimento al protocollo di testo. L'intensità del campo magnetico, o H, può essere trovata utilizzando la legge di Ampere e variabili misurabili, la corrente nella bobina, il numero di spire dell'avvolgimento e la lunghezza media del nucleo. La curva B-H di un materiale può essere stimata dalle misurazioni della corrente e dell'integrale temporale della tensione attraverso l'elemento. Quando si conosce anche il numero di giri e le dimensioni degli elementi, questi possono essere scalati alle quantità effettive. Ora, dimostriamo come misurare la permeabilità relativa e calcolare le curve B-H.

In questi esperimenti, vengono misurate tre componenti magnetiche, un piccolo induttore con un nucleo di ferrite, un induttore nero più grande con un numero sconosciuto di spire e un trasformatore a 60 Hz. Inizia con il piccolo induttore con le dimensioni mostrate e un numero di giri dell'avvolgimento di 75. Innanzitutto, misurare l'induttanza dell'induttore a 120 e 1.000 Hz utilizzando un misuratore LCR. In secondo luogo, costruire il circuito come mostrato, mantenendo l'uscita del generatore di funzioni a 50 ohm e il cavo del connettore BNC scollegato. Successivamente, collegare le sonde di tensione e corrente differenziale e verificare che non vi siano offset. Impostare la sonda differenziale su 120 per una migliore risoluzione. Infine, impostare la sonda di corrente su 100 millivolt per ampere sulla sonda e 1x sull'oscilloscopio. E annota questi fattori di scala per i calcoli successivi. Impostare l'uscita del generatore di funzioni su una forma d'onda sinusoidale soto a 1.000 Hz con un picco di 10 volt. Misurare VC e I, collegare il generatore di funzioni e verificare che tutti i collegamenti del circuito siano come mostrato. Quindi, registrare la corrente e la tensione misurate. Infine, modificare il formato di visualizzazione dell'oscilloscopio da yt a xy per visualizzare la curva BH. Regolare le manopole di regolazione verticale del canale uno e del canale due finché la curva non si adatta allo schermo dell'oscilloscopio. Quindi, stabilizzare la curva impostando l'opzione di persistenza per la visualizzazione. E poi, fai uno screenshot della curva. Infine, regolare la frequenza del generatore di funzioni su 120 Hz e ripetere lo screenshot della curva BH dopo aver regolato le impostazioni della curva secondo necessità. Infine, scollegare il generatore di funzioni e rimuovere l'induttore. Mantieni intatto il resto del circuito.

Per determinare il numero di spire per l'induttore più grande, misuriamo prima la sua curva B-H. Per semplificare i calcoli, si supponga che il nucleo sia un nucleo all-air. Innanzitutto, misurare l'induttanza dell'induttore a 120 e 1.000 Hz utilizzando il misuratore LCR. Quindi, posizionare l'induttore nel circuito RC. Misurare la curva B-H per l'induttore più grande utilizzando la stessa procedura descritta per l'induttore piccolo. Osservare e registrare la corrente e la tensione misurate. Visualizza la curva B-H. Regolare la frequenza del generatore di funzioni su 120 Hz e regolare le impostazioni della curva secondo necessità.

I trasformatori monofase sono costituiti da due avvolgimenti accoppiati da un nucleo magnetico. Qui viene misurata la curva B-H per un trasformatore a 60 Hz. Utilizzando il misuratore LCR, misurare l'induttanza dell'avvolgimento laterale a 115 volt a 120 Hz. Quindi, assemblare il circuito collegando AC1 e N dal variac al lato primario del trasformatore attraverso il circuito della protoscheda utilizzando cavi a banana. Regolare i fattori di scala e i parametri del generatore di funzioni come descritto in precedenza. Con il variac al 90 percento, misurare la corrente e la tensione. Quindi, visualizza e registra la curva BH.

Se il numero di spire per la bobina, la lunghezza media del nucleo e l'area della sezione trasversale sono noti, l'induttanza della bobina viene misurata direttamente e la permeabilità relativa può essere calcolata. In alternativa, è possibile utilizzare una curva B-H misurata per determinare la permeabilità relativa di un elemento e quindi calcolare il numero di spire nella bobina. Nella regione lineare della curva B-H, la permeabilità relativa può essere trovata dal pendio. Utilizzando la permeabilità relativa, e dato che l'induttanza e le dimensioni del nucleo sono note, il numero di spire può essere facilmente calcolato utilizzando la seguente relazione.

Gli induttori e altri dispositivi elettromagnetici, come i trasformatori, sono comuni in molti sistemi elettrici, elettronici e meccanici. La rete elettrica fornisce elettricità ai consumatori distribuendo elettricità ad alta tensione su lunghe distanze tramite linee di trasmissione. Sono necessarie alte tensioni su lunghe distanze per compensare le perdite di energia. I trasformatori vengono utilizzati lungo le linee elettriche per ridurre le tensioni di trasmissione più elevate ai livelli più bassi necessari nelle stazioni di distribuzione e per l'alimentazione dell'utente finale. I trasformatori trasferiscono energia attraverso l'induzione elettromagnetica, consentendo la riduzione controllata delle tensioni CA. Sono comunemente progettati con nuclei in acciaio a causa dell'elevato punto di saturazione magnetica dell'acciaio. Il magnete dello statore induce un campo magnetico rotante nel rotore che provoca la rotazione del rotore. In effetti, lo statore è l'avvolgimento primario di un trasformatore e la gabbia dello scoiattolo, l'avvolgimento secondario. I motori asincroni CA sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni. Il motore è costituito da un magnete avvolto stazionario esterno e dal nucleo ferromagnetico interno del rotore. Tipicamente, una disposizione cilindrica di barre conduttive che formano la gabbia dello scoiattolo.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla caratterizzazione dei componenti magnetici. A questo punto è necessario comprendere come misurare le curve B-H di induttori e trasformatori, identificando al contempo fattori di progettazione sconosciuti, come la permeabilità relativa e il numero di giri. Grazie per l'attenzione.