Кіріспе

Магниттік өрістерді бағыттап, шектеуге арналған зат – компьютер жады. Магниттік өзек – электрлік, электромеханикалық және магниттік құрылғыларда, мысалы, электромагниттерде, трансформаторларда, электр моторларында, генераторларда, индукторларда, динамиктерде, магниттік жазу басындарында және магниттік жиынтықтарда магниттік өрістерді шектеу және бағыттау үшін қолданылатын жоғары магниттік өткізгіштігі бар магниттік материал. Ол темір сияқты ферромагниттік металдардан немесе ферриттер сияқты ферримагниттік қосылыстардан жасалады. Қоршаған ортадағы ауаға қарағанда жоғары өткізгіштігі магнит өрісінің сызықтарын өзек материалында шоғырландырады. Магниттік өріс көбінесе өзекке оралған сым арқылы туындайтын токпен жасалады. Магниттік өзекті пайдалану электромагниттік катушкадағы магниттік өрістің күшін өзексіз болған кездегіден бірнеше жүз есеге арттыра алады. Дегенмен, магниттік өзектердің жанама әсерлері бар, оларды ескеру қажет. Көтерілмелі ток (AC) құрылғыларында олар трансформаторлар мен индукторлар сияқты қолданыстарда гистерезис және едір токтарынан туындайтын, өзектегі шығындар деп аталатын энергия шығындарын тудырады. Силиций болат немесе феррит сияқты төмен коэрцитивтілігі және гистерезисі бар «жұмсақ» магниттік материалдар әдетте өзектерде қолданылады.

Негізгі материалдар

Электр тогы сым арқылы орамға оралғанда, Ампердің контурлық заңына сәйкес, орамның ортасынан магнит өрісі пайда болады. Орамдар электромагниттер, индукторлар, трансформаторлар, электр моторлары және генераторлар сияқты электрондық компоненттерде кеңінен қолданылады. Магниттік өзегі жоқ орам "ауалық өзек" орам деп аталады. Орамның ортасына ферромагниттік немесе ферримагниттік материал қосу магнит өрісін жүздеген немесе мыңдаған есеге арттыра алады; мұны магниттік өзек деп атайды. Сымның өрісі өзек материалға еніп, оны магниттейді, сондықтан өзектегі күшті магнит өрісі сымның құратын өріске қосылады. Магниттік өрістің өзек арқылы күшеюі өзек материалының магниттік өткізгіштігіне байланысты. Бұраулы токтар мен гистерезис сияқты қосалқы әсерлер жиілікке тәуелді энергия шығындарын тудыруы мүмкін болғандықтан, әртүрлі жиіліктерде қолданылатын орамдар үшін әртүрлі өзек материалдары қолданылады. Кейбір жағдайларда шығындар қанағаттандырмас, ал өте күшті өрістерде қанығу проблема тудыруы мүмкін, сондықтан "ауалық өзек" қолданылады. Орамды ұстап тұру үшін пластик немесе композит сияқты, маңызды магниттік өткізгіштігі жоқ материалдан жасалған негіз де қолданылуы мүмкін.

Жұмсақ темір

"Жұмсақ" (қыздырылған) темір магниттік жиынтықтарда, тұрақты ток (DC) электромагниттерінде және кейбір электр моторларында қолданылады; және ол ауа өзекшесінен 50 000 есе артық шоғырланған магниттік өріс тудыра алады. Темір магниттік өзектер жасауға қолайлы, себебі ол қанығуға ұшырамастан жоғары магниттік өріс деңгейіне төтеп бере алады (бөлме температурасында 2,16 теслаға дейін). Қыздырылған темір "қатты" темірден айырмашылығы, төмен коэрцитивтілікке ие, сондықтан өріс алынғанда магниттелмейді, бұл магниттік өрісті қайта-қайта қосу/өшіру қажеттілігі туындайтын қолдануларда маңызды. Металдың электр өткізгіштігіне байланысты, трансформаторлар мен индукторлар сияқты айнымалы ток (AC) қолданыстарында, бір тікелей металл өзек қолданғанда, өзгеретін магниттік өріс оның ішінде үлкен едір токтарын – өріске перпендикуляр жазықтықтағы электр тогының жабық тізбектерін тудырады. Металдың кедергісі арқылы өтетін ток оны Джоуль қыздыру арқылы қыздырады, бұл айтарлықтай қуат шығынына алып келеді. Сондықтан трансформаторларда немесе индукторларда қатты темір өзектер қолданылмайды, олардың орнына ламинатталған немесе ұнтақталған темір өзектер немесе феррит сияқты өткізбейтін өзектер қолданылады.

Ламинация

Ламинатталған магниттік өзектер – магнит ағындарына мүмкіндігінше параллель орналасқан, оқшаулағыш қабатпен жабылған жұқа темір парақтардан құралған. Оқшаулау қабаттары еңкіш тоқтарына кедергі келтіретін рөл атқарады, сондықтан еңкіш тоқтары тек әрбір ламинаттың қалыңдығы шегіндегі тар контурлармен ғана аға алады. Еңкіш ток контурындағы ток контурдың ауданына пропорционалды болғандықтан, бұл тоқтың көп бөлігінің ағуын болдырмай, еңкіш тоқтарын өте төмен деңгейге дейін төмендетеді. Шығындалған қуат ток квадратына пропорционалды болғандықтан, үлкен өзектерді тар ламинаттарға бөлу қуат шығындарын күрт азайтады. Осыдан көрініп тұрғанындай, ламинаттар неғұрлым жұқа болса, еңкіш токтарынан болатын шығындар да соғұрлым азырақ болады.

Кремний қорытпасы

Темірге кремнийдің шамамен 3% қосылуы металлдың кедергісін төрт есеге дейін арттырады. Жоғары кедергі тұнбалы тоқтарды азайтады, сондықтан трансформаторлардың өзектерінде кремнийлі болат қолданылады. Кремний концентрациясының одан әрі жоғарылауы болаттың механикалық қасиеттерін нашарлатады, нәтижесінде сынықтығынан туындаған прокаттау қиындықтары пайда болады. Кремнийлі болаттың екі түрі – дәнді бағытталған (GO) және дәнді бағытталмаған (GNO) – арасында, GO магниттік өзектер үшін тиімдірек. Ол анизотропты, GNO-ға қарағанда бір бағытта жақсы магниттік қасиеттерге ие. Индукторлар мен трансформаторлардың өзектеріндегі магниттік өріс әрқашан бір бағытта болғандықтан, дәнді бағытталған болатты тиімді бағытта пайдалану артықшылықты ұсынады. Айналмалы машиналарда, мұнда магниттік өрістің бағыты өзгеруі мүмкін, дәнді бағытталған болаттың пайдасы болмайды.

Арнайы қорытпалар

Магниттік өзектік қолданулар үшін арнайы қорытпалар отбасы бар. Мысалдар: мю-металл, пермаллой және супермаллой. Олар штампталған немесе таспа оралған өзектіктер үшін ұзын ленталар түрінде өндіріледі. Кейбір қорытпалар, мысалы, Сендаст, ұнтақ күйінде жасалып, пішінге қалыптастырылады. Көптеген материалдар магниттік қасиеттерін жетілдіру үшін мұқият жылумен өңдеуді қажет етеді және механикалық немесе термиялық әсерге ұшырағанда оларды жоғалтады. Мысалы, мю-металлдың магнит өрісіндегі сутегі атмосферасында қыздырылғаннан кейін өткізгіштігі шамамен 40 есеге артады; кейіннен жасалған өткір иілімдер оның кристалдық құрылымын бұзады, бұл жергілікті өткізгіштік жоғалтуына әкеледі; оны қайта қыздыру арқылы қалпына келтіруге болады.

Шынылы металл

Аморфты металл – кристаллдық құрылымы жоқ немесе шыны тәрізді әртүрлі қорытпалар (мысалы, Metglas). Олар жоғары тиімді трансформаторлар жасауға қолданылады. Бұл материалдар магниттік өрістерге жоғары сезімталдыққа ие, гистерезис жоғалтуларын азайтуға мүмкіндік береді, сондай-ақ бұрандалы ток жоғалтуларын төмендету үшін төмен өткізгіштікке ие болуы мүмкін. Қазіргі уақытта электр энергиясын өндіруші мекемелер жаңа орналымдарда осы трансформаторларды кеңінен пайдалануда. Металл шынының жоғары механикалық беріктігі мен коррозияға төзімділігі де осы қолдану үшін пайдалы қасиеттер болып табылады.

Металл ұнтақтары

Ұнтақ ядролар металл түйіршіктерінен тұрады, олар тиісті органикалық немесе органикалық емес байланыстырғышпен араластырылып, қажетті тығыздыққа дейін қысыммен сығымдалады. Жоғары тығыздық жоғары қысыммен және байланыстырғыш мөлшерінің азаюы арқылы қол жеткізіледі. Жоғары тығыздықтағы ядролардың өткізгіштігі жоғары, бірақ кедергісі төмен, сондықтан бұрандалы тоқтарға байланысты жоғалтулар артады. Ірі емес бөлшектер жоғары жиіліктерде жұмыс істеуге мүмкіндік береді, себебі бұрандалы тоқтар көбінесе жеке түйіршіктердің ішінде ғана шектеледі. Түйіршіктерді оқшаулағыш қабатпен жабу немесе оларды жұқа байланыстырғыш қабатымен бөлу бұрандалы тоқ жоғалтуларын азайтады. Үлкен түйіршіктердің болуы жоғары жиіліктегі өнімділікті нашарлатады. Өткізгіштік түйіршіктер арасындағы арақашықтыққа тәуелді, олардың арасында үзіліспен ауа қалтасы пайда болады; арақашықтық азайған сайын өткізгіштік артып, жұмсақ қанығу төмендейді. Тығыздық айырмашылығының үлкендігіне байланысты, тіпті аздаған мөлшердегі байланыстырғыш та салмақ бойынша көлемді және де түйіршіктер арасындағы аралықты едәуір арттыра алады. Төменгі өткізгіштік материалы жоғары жиіліктер үшін қолайлырақ, себебі ядро мен орамның жоғалтулары арасындағы тепе-теңдік сақталады. Түйіршіктердің беті көбінесе тотығып, фосфат қабатымен жабылады, бұл оларды бір-бірінен электрлік оқшаулайды.

Темір

Ұнтақталған темір ең арзан материал болып табылады. Оның өзектік жоғалтуы жоғарырақ, бірақ оны өзектің көлемін үлкейту арқылы толықтыруға болады; бұл масса мен өлшемге қарағанда бағасы маңыздырақ болған жағдайларда тиімді. Қанығу ағыны шамамен 1-тен 1,5 Теслаға дейін. Салыстырмалы түрде жоғары гистерезис және едір токтарының жоғалтуы, жұмыс жиілігі төменгі диапазонда (шамамен 100 кГц-тен төмен) шектелген. Энергия сақтау индукторларында, тұрақты ток шығыс тұншықтырғыштарында, дифференциалдық режимдегі тұншықтырғыштарда, триак реттегіштерінде, қуат коэффициентін түзетуге арналған тұншықтырғыштарда, резонанстық индукторларда және импульстік және флайбек трансформаторларында қолданылады. Темір ұнтағынан жасалған өзектер көбінесе тороид пішіндес болады. Кейде E, EI пішіндері, сондай-ақ шыбықтар немесе блоктар түрінде де кездеседі, олар негізінен жоғары қуатты және жоғары ток жүретін құрылымдарда қолданылады. Карбонил темір, сутектің әсерінен қалпына келтірілген темірге қарағанда едәуір қымбат.

Карбонил темір

Карбонил темірден жасалған ұнтақ өзектер, өте таза темір болып табылады, температураның кең диапазонында және магниттік ағын деңгейлерінде параметрлердің жоғары тұрақтылығына ие, ал 50 кГц мен 200 МГц аралығында өте жақсы Q факторларын қамтамасыз етеді. Карбонил темір ұнтақтары негізінен микрометрлік өлшемдегі темір шарларынан тұрады, олардың беті жұқа электр оқшаулау қабатымен жабылған. Бұл микроскопиялық ламинатталған магниттік тізбеге тең (жоғарыдағы кремнийлі болатты қараңыз), демек, әсіресе жоғары жиіліктерде орамдық тоқтарды азайтады. Карбонил темірдің сутекті тотығу арқылы алынған темірге қарағанда шығындары төмен, бірақ өткізгіштігі де төмен. Карбонил темірге негізделген магниттік өзектердің кең таралған қолданылуы – жоғары жиілікті және кең жолақты индукторлар мен трансформаторларда, әсіресе жоғары қуатты құрылғыларда қолдану. Карбонил темір өзектерін көбінесе "РЧ өзектер" деп атайды. Дайындалған бөлшектер "Е" типіне жатады және пияз тәрізді қабыққа ие, концентрлі қабықтар арасында кеңістіктер болады. Олардың құрамында көміртегінің маңызды мөлшері бар. Олар сыртқы өлшемдеріне қарағанда әлдеқайда кішірек сипатталады. "С" типіндегі бөлшектерді "Е" типіндегі бөлшектерді 400 °C температурада сутегі атмосферасында ұзақ уақыт бойы қыздыру арқылы алуға болады, нәтижесінде көміртегісіз ұнтақтар пайда болады. Бұл материал алғаш рет 1940 жылы ұзын телефон желілеріндегі сыйымдылықты өтеу үшін қолданылған жүктеу орамдарында пайдаланылды. Ол өндірушіге байланысты шамамен 200 кГц-тан 1 МГц-қа дейін қолданылуы мүмкін.

Жоғары ағынды (Ni-Fe)

Никель мен темірдің шамамен 50–50% арақатынасындағы қоспасы. Жоғары энергия сақтау қабілеті, қанығу ағыны тығыздығы шамамен 1,5 Тесла. Қалдық ағыны тығыздығы нөлге жуық. Жоғары тұрақты токпен шағылыстырылатын (желідегі шуды сүзгідер немесе коммутациялық реттегіштердегі индукторлар) немесе төмен қалдық ағыны тығыздығы қажеттіліктерінде (мысалы, импульстік және флайбек трансформаторлары, жоғары қанығу бірполярлы жетектеуге ыңғайлы), әсіресе кеңістік шектеулі жағдайларда қолданылады. Бұл материал шамамен 200 кГц дейін қолдануға болады.

Негізгі шығын

Негізгі магнит өрісі өзгерген кезде, трансформаторлар, индукторлар, айнымалы ток (AC) қозғалтқыштары мен генераторлары сияқты айнымалы ток қолданатын құрылғыларда, құрылғы арқылы толық берілуі тиіс қуаттың бір бөлігі өзекте жоғалады, жылу және кейде шу түрінде ысырапқа кетеді. Өзектегі жоғалту көбінесе мыс жоғалтудан, яғни орамдардағы жоғалтудан ерекшеленетін темір жоғалту деп аталады. Темір жоғалтулары әдетте үш түрге бөлінеді:

Аномальды шығындар

Анықтама бойынша, бұл санатқа айналдыру және гистерезис жоғалтуларынан өзге де кез келген жоғалтулар кіреді. Бұл гистерезис шеңберінің жиілікке байланысты кеңеюі ретінде де сипатталуы мүмкін. Аномальды жоғалтулардың физикалық механизмдеріне қозғалмалы домен қабырғаларының жанындағы жергілікті айналмалы тоқ әсерлері жатады.

Штайнметц коэффициенттері

Магниттік материалдардағы жоғалтулар Штайнметц коэффициенттерімен сипатталуы мүмкін, бірақ олар температураның өзгеруін ескермейді. Материал өндірушілер нақты пайдалану жағдайлары үшін өзектік жоғалтулар туралы деректерді кесте және графиктік түрде ұсынады.