قلب مغناطيسي

تتكون النوى المسحوقية من حبيبات معدنية ممزوجة بمادة رابطة عضوية أو غير عضوية مناسبة، وتُضغط للوصول إلى الكثافة المطلوبة. تُحقق كثافة أعلى بزيادة الضغط وتقليل كمية المادة الرابطة. تتميز النوى ذات الكثافة العالية بنفاذية أعلى، ولكن بمقاومة أقل، وبالتالي بخسائر أعلى بسبب التيارات الدوامية. تسمح الجسيمات الدقيقة بالتشغيل عند ترددات أعلى، حيث تقتصر التيارات الدوامية في الغالب على الحبيبات الفردية. يُقلل تغليف الجسيمات بطبقة عازلة، أو فصلها بطبقة رقيقة من المادة الرابطة، من خسائر التيارات الدوامية. يمكن أن يؤدي وجود جسيمات أكبر إلى تدهور الأداء عند الترددات العالية. تتأثر النفاذية بالمسافة بين الحبيبات، التي تُشكل فجوة هوائية موزعة؛ فكلما قلت هذه الفجوة، زادت النفاذية وقل التشبع. ونظرًا للاختلاف الكبير في الكثافة، فإن كمية صغيرة من المادة الرابطة، من حيث الوزن، يمكن أن تزيد بشكل ملحوظ من الحجم، وبالتالي المسافة بين الحبيبات.

تُعد المواد ذات النفاذية المنخفضة أكثر ملاءمة للترددات العالية، وذلك بسبب موازنة خسائر القلب واللفائف.

غالباً ما يتم أكسدة سطح الجسيمات وتغطيته بطبقة من الفوسفات، لتوفير عزل كهربائي متبادل بينها.

يُطلق على الملف الذي لا يحتوي على قلب مغناطيسي اسم " الملف ذو القلب الهوائي" . ويشمل ذلك الملفات الملفوفة على هيكل بلاستيكي أو خزفي، بالإضافة إلى تلك المصنوعة من أسلاك صلبة ذاتية الدعم وتحتوي على هواء بداخلها. تتميز ملفات القلب الهوائي عمومًا بانخفاض معامل الحث مقارنةً بملفات القلب المغناطيسي الحديدي ذات الحجم المماثل، ولكنها تُستخدم في دوائر الترددات الراديوية لمنع فقد الطاقة المعروف بفقدان القلب ، والذي يحدث في القلوب المغناطيسية. يسمح غياب فقدان القلب الطبيعي بمعامل جودة أعلى ، لذا تُستخدم ملفات القلب الهوائي في دوائر الرنين عالية التردد ، مثل تلك التي تصل إلى بضعة ميغاهرتز. ومع ذلك، لا تزال بعض الخسائر موجودة، مثل تأثير التقارب وفقدان العازل . كما تُستخدم القلوب الهوائية عند الحاجة إلى شدة مجال مغناطيسي تزيد عن 2 تسلا تقريبًا، لأنها لا تخضع للتشبع.

يُصنع هذا النوع من الملفات عادةً من الفريت أو مسحوق الحديد، ويُستخدم في أجهزة الراديو ، وخاصةً لضبط المحث . يُلف الملف حول قضيب، أو حول شكل ملفي يحتوي على القضيب بداخله. يؤدي تحريك القضيب داخل الملف أو خارجه إلى تغيير التدفق المغناطيسي عبره، ويمكن استخدامه لضبط الحث . غالبًا ما يكون القضيب ملولبًا للسماح بالضبط باستخدام مفك براغي. في دوائر الراديو، تُستخدم كمية من الشمع أو الراتنج بعد ضبط المحث لمنع القلب الحديدي من الحركة.

يؤدي وجود قلب ذي نفاذية مغناطيسية عالية إلى زيادة الحث ، ولكن لا تزال خطوط المجال المغناطيسي تمر عبر الهواء من أحد طرفي القضيب إلى الطرف الآخر. يضمن مسار الهواء بقاء المحث خطيًا . في هذا النوع من المحثات، يحدث الإشعاع عند طرف القضيب، وقد يمثل التداخل الكهرومغناطيسي مشكلة في بعض الحالات.

يشبه قضيبًا أسطوانيًا ولكنه مربع الشكل، ونادرًا ما يُستخدم بمفرده. يُرجح وجود هذا النوع من القلب في ملفات إشعال السيارات.

تُستخدم النوى على شكل حرفي U و C مع نواة على شكل حرف I أو نواة أخرى على شكل حرفي C أو U لتكوين نواة مربعة مغلقة، وهي أبسط أشكال النوى المغلقة. ويمكن وضع اللفائف على أحد طرفي النواة أو كليهما.

قلب على شكل حرف U، بزوايا حادة

النواة على شكل حرف C، ذات الزوايا المستديرة

تُعدّ النوى ذات الشكل E حلولاً أكثر تناظراً لتشكيل نظام مغناطيسي مغلق. في أغلب الأحيان، تُلف الدائرة الكهربائية حول الساق المركزية، التي تبلغ مساحة مقطعها ضعف مساحة كل ساق من السيقان الخارجية. في نوى المحولات ثلاثية الأطوار، تكون السيقان متساوية في الحجم، وتُلفّ جميعها حول بعضها.

أساسيات الموسيقى الكلاسيكية

يسمح قلب EFD ببناء محاثات أو محولات ذات تصميم جانبي منخفض

يحتوي قلب جهاز ETD على ساق مركزية أسطوانية الشكل.

يقع قلب EP في منتصف الطريق بين قلب E وقلب وعاء

"E" و "I" الأساسي

تُكدّس صفائح من الحديد المناسب، مُشكّلة على هيئة حرفي "E" و"I" ( بدون زوائد ) ، بحيث يكون الحرف "I" ملاصقًا للطرف المفتوح من الحرف "E"، لتشكيل بنية ثلاثية الأرجل. يمكن لفّ الملفات حول أيٍّ من هذه الأرجل، ولكن عادةً ما يُستخدم الرجل الأوسط. يُستخدم هذا النوع من النوى بكثرة في محولات الطاقة، والمحولات الذاتية، والمحاثات.

بناء ملف حثي باستخدام قلبين من مادة ER ، وبكرة بلاستيكية، ومشبكين. تحتوي البكرة على دبابيس يتم لحامها بلوحة دوائر مطبوعة .

عرض تفصيلي للشكل السابق يوضح البنية

يتكون القلب المستوي من قطعتين مسطحتين من مادة مغناطيسية، إحداهما فوق الملف والأخرى تحته. ويُستخدم عادةً مع ملف مسطح مُدمج في لوحة دوائر مطبوعة . يُعد هذا التصميم مثاليًا للإنتاج بكميات كبيرة ، ويسمح بتصنيع محول عالي القدرة وصغير الحجم بتكلفة منخفضة. ورغم أنه ليس مثاليًا كالقلب ذي الشكل المخروطي أو القلب الحلقي ، إلا أنه أقل تكلفة في الإنتاج.

قلب مستوٍ على شكل حرف "E"

محث مستوٍ

رسم توضيحي يُظهر المسار الحلزوني المصنوع مباشرة على لوحة الدوائر المطبوعة

عادةً ما يكون قلب الملف مصنوعًا من الفريت أو مادة مشابهة. يُستخدم هذا النوع من القلب في المحاثات والمحولات . يتميز قلب الملف بشكله الدائري المجوف الذي يُحيط بالملف بالكامل تقريبًا. يتكون قلب الملف عادةً من نصفين يتلاءمان معًا حول قالب الملف ( البكرة ). يوفر هذا التصميم للقلب تأثيرًا وقائيًا ، حيث يمنع الإشعاع ويقلل من التداخل الكهرومغناطيسي .

قلب وعاء من نوع 'RM'

قلب وعاء عادي

يعتمد هذا التصميم على شكل حلقي (يشبه شكل الدونات ). يُلف الملف عبر الفتحة الموجودة في الحلقة وحول محيطها الخارجي. يتوزع الملف المثالي بالتساوي على كامل محيط الحلقة. يُولّد تناظر هذا الشكل الهندسي مجالًا مغناطيسيًا من حلقات دائرية داخل القلب، كما أن غياب الانحناءات الحادة يُحصر المجال بالكامل تقريبًا في مادة القلب. هذا لا يُنتج محولًا عالي الكفاءة فحسب ، بل يُقلل أيضًا من التداخل الكهرومغناطيسي المنبعث من الملف.

يُستخدم هذا النوع من الموصلات بكثرة في التطبيقات التي تتطلب خصائص مرغوبة، مثل: قدرة نوعية عالية لكل وحدة كتلة وحجم ، وانخفاض التشويش الكهربائي ، والحد الأدنى من التداخل الكهرومغناطيسي . ومن هذه التطبيقات، مصدر الطاقة لمضخمات الصوت عالية الدقة . أما العيب الرئيسي الذي يحد من استخدامها في التطبيقات العامة فهو صعوبة لف الأسلاك عبر مركز الموصل الحلقي.

على عكس القلب المنفصل (القلب المكون من عنصرين، مثل زوج من النوى E )، تتطلب عملية لف القلب الحلقي آليًا آلات متخصصة. تتميز النوى الحلقية بانخفاض مستوى الضوضاء المسموعة، مثل طنين التيار الكهربائي، لأن القوى المغناطيسية لا تُحدث عزم انحناء على القلب. يكون القلب تحت ضغط أو شد فقط، كما أن شكله الدائري أكثر استقرارًا ميكانيكيًا.

الحلقة متطابقة بشكل أساسي في الشكل والأداء مع الملف الحلقي، باستثناء أن المحاثات عادة ما تمر فقط عبر مركز القلب، دون أن تلتف حول القلب عدة مرات.

قد يتكون قلب الحلقة أيضًا من نصفي كرة منفصلين على شكل حرف C مثبتين معًا داخل غلاف بلاستيكي، مما يسمح بوضعه على الكابلات الجاهزة ذات الموصلات الكبيرة المثبتة مسبقًا، والتي من شأنها أن تمنع تمرير الكابل عبر القطر الداخلي الصغير لحلقة صلبة.

عندما يتغير المجال المغناطيسي المار عبر القلب، تتغير مغنطة مادة القلب نتيجة لتمدد وانكماش المجالات المغناطيسية الدقيقة المكونة له، بسبب حركة جدران هذه المجالات . تُسبب هذه العملية فقدًا للطاقة، لأن جدران المجالات "تعلق" بعيوب في البنية البلورية ثم "تتجاوزها" فجأة، مُبددةً الطاقة على شكل حرارة. يُسمى هذا فقد التخلف المغناطيسي . ويمكن ملاحظة ذلك في الرسم البياني للمجال المغناطيسي (B) مقابل المجال المغناطيسي (H) للمادة، والذي يأخذ شكل حلقة مغلقة. تُوضح المعادلة ^{[ 12 ]} صافي الطاقة المتدفقة إلى المحث، مُعبرًا عنها بالنسبة لخاصية BH للقلب.

${\displaystyle W=\int {\left(nA_{c}{\frac {dB(t)}{t}}\right)\left({\frac {H(t)l_{m}}{n}}\right)dt}=(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

تُظهر هذه المعادلة أن كمية الطاقة المفقودة في المادة خلال دورة واحدة من المجال المُطبق تتناسب طرديًا مع المساحة داخل حلقة التخلف المغناطيسي . وبما أن الطاقة المفقودة في كل دورة ثابتة، فإن فقدان الطاقة الناتج عن التخلف المغناطيسي يزداد طرديًا مع التردد . ^{[ 13 ]} المعادلة النهائية لفقدان الطاقة الناتج عن التخلف المغناطيسي هي ^{[ 12 ].}

${\displaystyle P_{H}=(f)(A_{c}l_{m})\int {HdB}}$

إذا كان القلب موصلاً كهربائياً ، فإن المجال المغناطيسي المتغير يُحدث حلقات دائرية من التيار فيه، تُسمى التيارات الدوامية ، نتيجةً للحث الكهرومغناطيسي . ^{[ 14 ]} تتدفق هذه الحلقات عمودياً على محور المجال المغناطيسي. تُبدد طاقة هذه التيارات على شكل حرارة في مقاومة مادة القلب. يتناسب فقد الطاقة طردياً مع مساحة الحلقات وعكسياً مع مقاومة مادة القلب. يمكن تقليل فقد التيارات الدوامية بصنع القلب من رقائق رقيقة مطلية بطبقة عازلة، أو بدلاً من ذلك، بصنع القلب من مادة مغناطيسية ذات مقاومة كهربائية عالية، مثل الفريت . ^{[ 15 ]} لهذا السبب، تستخدم معظم القلوب المغناطيسية المُخصصة لتطبيقات محولات الطاقة قلوب الفريت.

بحسب التعريف، تشمل هذه الفئة أي خسائر بالإضافة إلى خسائر التيارات الدوامية وخسائر التخلف المغناطيسي. ويمكن وصف ذلك أيضًا بتوسع حلقة التخلف المغناطيسي مع التردد. وتشمل الآليات الفيزيائية للخسائر الشاذة تأثيرات التيارات الدوامية الموضعية بالقرب من جدران النطاقات المتحركة.

تُستخدم معادلة ليج لنمذجة فقدان الطاقة في قلب المادة المغناطيسية عند كثافات التدفق المنخفضة . تتكون هذه المعادلة من ثلاثة مكونات للفقد: التخلف المغناطيسي، والفقد المتبقي، والتيارات الدوامية، ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} ، وهي معطاة بالصيغة التالية:

${\displaystyle {\frac {R_{\text{ac}}}{\mu L}}=aB_{\text{max}}f+cf+ef^{2}}$

أين

• ${\displaystyle R_{ac}}$هي مقاومة الفقد الأساسية الفعالة (بالأوم)،
• ${\displaystyle \mu }$هي نفاذية المادة ،
• ${\displaystyle L}$هي الحث (بالهنري)،
• ${\displaystyle a}$هو معامل فقدان التخلف المغناطيسي،
• ${\displaystyle B_{\text{max}}}$هي أقصى كثافة تدفق (غاوس)،
• ${\displaystyle c}$هو معامل الخسارة المتبقية،
• ${\displaystyle f}$التردد (هرتز)، و
• ${\displaystyle {\ce {e}}}$هو معامل فقدان الدوامات.

يمكن تحديد الفقد في المواد المغناطيسية باستخدام معاملات شتاينمتز، والتي لا تأخذ في الحسبان تغيرات درجة الحرارة. يوفر مصنّعو المواد بيانات عن الفقد في القلب المغناطيسي في شكل جداول ورسوم بيانية لظروف الاستخدام العملية.