Overview
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
מטרת הניסוי היא להשיג ניסיון מעשי עם רכיבים מגנטיים שונים מנקודות מבט עיצוביות וחומריות. ניסוי זה מכסה עקומות B-H של חומר מגנטי ועיצוב משרן באמצעות זיהוי גורמי עיצוב לא ידועים. עקומת B-H של יסוד מגנטי, כגון משרן או שנאי, היא מאפיין של החומר המגנטי היוצר את הליבה שסביבה נכרכים פיתולים. מאפיין זה מספק מידע על צפיפות השטף המגנטי שהליבה יכולה להתמודד איתו ביחס לזרם הזורם בפיתולים. הוא גם מספק מידע על גבולות לפני הליבה רווי מגנטית, כלומר כאשר דוחף זרם יותר דרך סליל מוביל לא זרימת שטף מגנטי נוסף.
Principles
ניתן לזהות את עקומת B-H באמצעות מעגל פשוט. באמצעות החוק של Ampere, עוצמת השטף המגנטי (H) היא פרופורציונלית לזרם בסליל; לדוגמה, עבור סליל N-turnיחיד הנושא זרם (i) עטוף סביב ליבה של אורך ממוצע (l) ואזור חתך(A),החוק של Ampere מניב,
(1)
כמו כן, המתח על פני סליל (v) יכול להיקבע על ידי קצב השטף של שינוי dφ / dt באמצעות החוק של פאראדיי. עבור אותו סליל שתואר בעבר,
(2)
צפיפות השטף(B)מוגדרת גם כ,
(3)
אשר יכול להיכתב כך,
(4)
לכן, כדי להעריך את עקומת B-H של חומר, אני ואת זמן אינטגרל של V ניתן להשתמש. שינוי קנה מידה בחזרה לכמויות B ו- H בפועל אפשרי כאשר N, l ו- A ידועים.
על מנת למדוד את זמן-אינטגרל של v, מעגל R-C פשוט במקביל ל סליל יכול לשמש (איור 1). חוצץ R-C צריך להיות R >> XC בתדר ההפעלה כך vR≈v. באמצעות הנחה זו, מדידת מתח הקבל vC נותן קירוב סביר של זמן אינטגרל של V מאז,
(5)
הסימן השלילי יעיל עבור ייצוג תחום זמן אבל צריך להיות ירד בעת התמודדות עם RMS וכמויות שיא, ולכן זה נפוץ להשתמש,
(6)
איור 1: מעגל בדיקה כדי לקבוע את עקומת B-H של משרן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
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.
אלמנטים מגנטיים, כגון משרים או שנאים, יש תכונות אופייניות התלויות בחומר המגנטי היוצר את הליבה בתוך סליל. כאשר הזרם זורם ב סליל משרן או שנאי, הוא יוצר שדה מגנטי. היכולת של חומר הליבה להחזיק את השדה המגנטי, הנקרא החמיצות שלו, קובעת את כוחו של השדה, הנקרא כוח הממגנט שלו. כוח המגנטיזציה מייצר שטף מגנטי בליבת המשרן. אצל משרן ושנאי, הקשר בין כוח מגנטי לצפיפות השטף מוגדר כשטף מגנטי דרך אזור חתך וניתן לנתח אותו באמצעות עקומת B-H. עקומת B-H מתארת את חומר הליבה ומזהה את מגבלת הרוויה המגנטית שלה. זה קורה כאשר זרם נוסף דרך פיתולים כבר לא מגביר את השטף המגנטי. וידאו זה ממחיש את המדידה של עקומות BH עבור משרים ושנאים ואת האפיון של חומר הליבה פיתולים משרן.
עקומת B-H מראה את הקשר בין צפיפות השטף המגנטי, B, וכוח השדה המגנטי, H. בתחילה, ככל שכוח השדה המגנטי גדל, צפיפות השטף גם עולה לערך מקסימלי מסוים. לאחר נקודה זו, כל עלייה בעוצמת השדה המגנטי אינה גורמת לעלייה משמעותית בצפיפות השטף המגנטי והחומר נחשב רווי. חומרים מגנטיים אמיתיים מציגים היסטריה שכן החומר ממוגנט לסירוגין בכיוונים החיוביים והשליליים. משמעות הדבר היא כי כמו כוח השדה המגנטי מצטמצם בחזרה לאפס, כמה מגנטיות שיורית נשאר. האזור בתוך עקומת B-H הוא פרופורציונלי לאובדן האנרגיה שכן החומר ממוגנט בכיוונים החיוביים והשליליים. חומר עם אובדן היסטריה נמוך יותר, כגון פלדה, משמש בדרך כלל בליבות שנאי בשל נכס זה. עקומת B-H יכולה לשמש גם לתיאור חמילותו של חומר, המחושבת כיחס בין צפיפות השטף המגנטי לחוזק השדה המגנטי. זה קשור לעתים קרובות מחלחל של שטח פנוי ובכך המכונה חדירה יחסית. לחומרים עם רגישות מגנטית נמוכה מאוד, כמו עץ, יש חד-משמעית נמוכה. היכן שחומרים עם רגישות מגנטית גבוהה, כמו ברזל, יש חדלות יחסית גבוהה. על מנת ליצור עקומת B-H, יש לקבוע תחילה את צפיפות השטף, B. לשם כך נמדד קצב השינוי, שהוא יחסי למתח על פני סליל באמצעות חוק פאראדיי. ניתן לזהות זאת באמצעות מעגל RC פשוט במקביל לסליל. לקבלת מידע מפורט יותר אודות חישובים אלה, עיין בפרוטוקול הטקסט. ניתן למצוא את עוצמת השדה המגנטי, או H, באמצעות חוק אמפר ומשתנים מדידים, הזרם ב סליל, מספר הפניות המפותלות והאורך הממוצע של הליבה. ניתן להעריך את עקומת B-H של חומר ממדידות של זרם ואת אינטגרל הזמן של מתח על פני היסוד. כאשר ידוע גם מספר הפניות והממדים של הרכיבים, ניתן לשנות את קנה המידה שלהם לכמויות בפועל. עכשיו, בואו להדגים כיצד למדוד חמילות יחסית ולחשב עקומות B-H.
בניסויים אלה נמדדים שלושה רכיבים מגנטיים, משרן קטן עם ליבת פריט, משרן שחור גדול יותר עם מספר לא ידוע של פניות, ושנאי 60 הרץ. התחל עם המשרן הקטן עם מידות כפי שמוצג, ומספר סיבובים מפותל של 75. ראשית, למדוד את השריודו של השריקטור ב 120 ו 1,000 הרץ באמצעות מד LCR. שנית, בנה את המעגל כפי שמוצג, תוך שמירה על פלט מחולל הפונקציה ב- 50 אוהם וכבל מחבר BNC מנותק. לאחר מכן, חבר את המתח הדיפרנציאלי ואת בדיקות הזרם ולוודא כי אין היסטים. הגדר את הבדיקה הדיפרנציאלית למקום ה-120 לרזולוציה טובה יותר. לבסוף, להגדיר את הבדיקה הנוכחית ל 100 מילבולט לכל מגבר על הגשוש ו 1x על היקף. ושימו לב לגורמי קנה המידה האלה לחישובים מאוחרים יותר. הגדר את פלט מחולל הפונקציה לצורת גל סינוס סוטו של 1,000 הרץ עם שיא של 10 וולט. מדוד VC ואני, חבר את מחולל הפונקציות וודא שכל חיבורי המעגלים מוצגים כפי שמוצג. לאחר מכן, הקלט את הזרם והמתח הנמדדים. לבסוף, שנה את תבנית התצוגה של האוסצילוסקופ מ- yt ל- xy כדי להציג את עקומת B-H. התאם את הערוץ הראשון וערוץ שני ידיות כוונון אנכיות עד שהעקומה תתאים למסך הטווח. לאחר מכן, ייצב את העקומה על-ידי הגדרת אפשרות ההתמדה עבור התצוגה. ולאחר מכן, קח צילום מסך של העקומה. לבסוף, התאם את תדר מחולל הפונקציות ל- 120 הרץ וכבוש מחדש את צילום המסך של עקומת B-H לאחר התאמת הגדרות העקומה לפי הצורך. לבסוף, נתק את מחולל הפונקציה והסר את המשרן. שמור על שאר המעגל שלם.
כדי לקבוע את מספר הפניות עבור המשרן הגדול יותר, בואו נמדוד תחילה את עקומת ה- B-H שלו. על מנת לפשט את החישובים, להניח הליבה היא ליבת כל האוויר. ראשית, למדוד את השריודו של השריקטור ב 120 ו 1,000 הרץ באמצעות מד LCR. לאחר מכן, למקם את המשרן במעגל RC. מדוד את עקומת B-H עבור המשרן הגדול יותר באמצעות אותו הליך המתואר עבור המשרן הקטן. התבונן ותיעד את הזרם והמתח הנמדדים. הצג את עקומת B-H. התאם את תדר מחולל הפונקציות ל- 120 הרץ והתאם את הגדרות העקומה לפי הצורך.
שנאים חד פאזיים מורכבים משני פיתולים בשילוב ליבה מגנטית. כאן נמדדת עקומת B-H עבור שנאי 60 הרץ. באמצעות מד LCR, למדוד את האינדוקציה של צד 115 וולט מתפתל ב 120 הרץ. לאחר מכן, להרכיב את המעגל על ידי חיבור AC1 ו- N מן variac לצד הראשי שנאי דרך מעגל protoboard באמצעות כבלי בננה. התאם את גורמי קנה המידה ואת הפרמטרים של מחולל הפונקציות כפי שתואר קודם לכן. עם variac ב 90 אחוז, למדוד את הזרם והמתח. לאחר מכן, הצג והקלט את עקומת B-H.
אם ידועים מספר הפניות עבור סליל, אורך הליבה הממוצע והאזור החתך, אזי האינדוקציה של סליל נמדדת ישירות, וניתן לחשב את החמיצות היחסית. לחלופין, ניתן להשתמש בעקומת B-H נמדדת כדי לקבוע חמילות יחסית של רכיב ולאחר מכן לחשב את מספר הפניות ב סליל. באזור הליניארי של עקומת B-H, ניתן למצוא את החמלוב היחסי מהשיפוע. באמצעות חמלות יחסית, ובהתחשב בכך שהשראות ומידות הליבה ידועות, ניתן לחשב בקלות את מספר הפניות באמצעות קשר הגומלין הבא.
משרים והתקנים אלקטרומגנטיים אחרים, כמו שנאים, נפוצים במערכות חשמליות, אלקטרוניות ומכאניות רבות. רשת החשמל מספקת חשמל לצרכנים על ידי חלוקת חשמל במתח גבוה למרחקים ארוכים באמצעות קווי הולכה. מתחים גבוהים נדרשים למרחקים ארוכים כדי לפצות על אובדן אנרגיה. רובוטריקים משמשים לאורך קווי חשמל כדי לרדת מתחי השידור הגבוהים יותר לרמות הנמוכות הדרושות בתחנות הפצה ולאספקת משתמשי קצה. רובוטריקים מעבירים אנרגיה באמצעות אינדוקציה אלקטרומגנטית, ומאפשרים את הירידה מבוקרת של מתחי AC. הם מתוכננים בדרך כלל עם ליבות פלדה בגלל נקודת הרוויה המגנטית הגבוהה של פלדה. מגנט הסטטור גורם לשדה מגנטי מסתובב ברוטור וגורם לרוטור להסתובב. למעשה, הסטטור הוא המתפתל העיקרי של שנאי, וכלוב הסנאי, המתפתל המשני. מנועי אינדוקציה AC משמשים במגוון רחב של יישומים. המנוע מורכב ממגנט פצע נייח חיצוני, ואת הליבה הפרומגנטית הפנימית של הרוטור. בדרך כלל, סידור גלילי של מוטות מוליכים היוצרים את כלוב הסנאי.
הרגע צפיתם בהקדמה של JoVE לאפיון הרכיבים המגנטיים. עכשיו אתה צריך להבין איך למדוד עקומות B-H של משרן ושנאים, תוך זיהוי גורמי עיצוב לא ידועים, כגון חמידות יחסית ומספר סיבוב. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
על מנת למצוא את החדרות היחסית של חומר הליבה, ניתן להשתמש בשתי גישות. הגישה הראשונה היא להשתמש במד LCR, שבו השראתו (L) של סליל שנעשה עם מספר ידוע של פניות (N) נמדדת, ולאחר מכן ניתן לחשב את החמידות היחסית כדלקמן:
חוסר רצון של הליבה: 
(7)
החמיצות היחסית (μr) היא אפוא:
(8)
כאשר μo הוא חדור של ואקום, l הוא אורך הליבה הממוצע ב m, ו- A הוא אזור הליבה חתך ב m2.
לדוגמה, אם נעשה שימוש בליבת טורואידלית ברדיוס פנימי r1=1 ס"מ, רדיוס חיצוני r2=2 ס"מ, אזור חתך של 1 ס"מ2ומד LCR קורא 1 μH עבור 10 סיבובים ולאחר מכן:
l=2π( r2-r1) =2π ס"מ, 
ו- μr= 50,000.
השיטה השנייה משתמשת בעקומת B-H הנמדדת. באזור הליניארי, הנראה או משוער, ניתן למצוא את החדירות היחסית מהשיפוע (B = μrμoH) עבור כל תדר. כדי למצוא ערכי B ו- H, יש לבצע שינוי קנה מידה מתאים עבור גורמי בדיקה, רכיבי מעגל ומידות ליבה באמצעות מדידות קודמות.
בגישה דומה למציאת החמישות היחסית, ניתן למצוא את מספר הפניות אם החמיות היחסית אינה ידועה. זה יכול להיות מושגת על ידי מניפולציה המשוואות הקודמות כדי למצוא N.
עבור ferrites, μr הוא בסדר גודל של כמה אלפים, בעוד עבור סגסוגות פלדה ופלדה, μ r הוא בסדר גודל של עשרות או מאות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
למרות משרן והתקנים אלקטרו-מגנטיים אחרים (למשל,שנאים) נפוצים מאוד במערכות חשמליות, אלקטרוניות ומכאניות רבות, קניית משרים ליישום מסוים אינה טריוויאלית. גם כאשר נרכש משרן, ייתכן שעדיין יש מידע על חומר הממשי, מספר הפניות ופרטים אחרים. הבדיקות בניסוי זה שימושיות במיוחד עבור מהנדסים וטכנאים המתכננים לבנות משרן משלהם או לאפיין את אלה מחוץ למדף. זה נפוץ עם יישומי אלקטרוניקה כוח(למשל,ממירי DC / DC) כמו גם יישומי כונן מנוע חשמלי(למשל,משרן מסנן AC) שבו מידע נוסף רצוי על המשרן ביד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
