Nieuws

Thuis / Nieuws / Hoe werken magnetische kernen?

Hoe werken magnetische kernen?

Magnetische kernen zijn fundamentele componenten in een breed scala aan elektrische en elektronische apparaten, van stroomtransformatoren en inductoren tot motoren en sensoren. In hun hart zijn deze schijnbaar eenvoudige structuren ingewikkelde wonderen van materiaalwetenschap en elektromagnetisme, ontworpen om de magnetische flux efficiënt te concentreren en te begeleiden. Om te begrijpen hoe ze werken, moeten we ons verdiepen in de principes van magnetisme en de specifieke eigenschappen van de gebruikte materialen.

De basisprincipes van magnetisme en magnetische permeabiliteit

De werking van een magnetische kern hangt af van het concept van magnetische permeabiliteit (( ), het vermogen van een materiaal om de vorming van een magnetisch veld in zichzelf te ondersteunen. In eenvoudiger termen is het een maat voor hoe gemakkelijk magnetische krachtlijnen door een materiaal kunnen gaan. Lucht of vacuüm heeft een magnetische permeabiliteit ( ) van ongeveer H/M (Henries per meter), die als referentie dient.

Ferromagnetische materialen, zoals ijzer, nikkel, kobalt en hun legeringen, vertonen uitzonderlijk hoge magnetische permeabiliteit - honderd tot duizenden keren groter dan die van lucht. Dit unieke kenmerk komt voort uit hun atoomstructuur, met name de aanwezigheid van ongepaarde elektronen die als kleine magneten werken. In deze materialen, onder invloed van een extern magnetisch veld, deze atomaire magneten (of magnetische domeinen ) Leg zichzelf op, versterken het totale magnetische veld aanzienlijk.

Wanneer een geleider die een elektrische stroom draagt, rond een kernmateriaal wordt gewikkeld, genereert deze een magnetisch veld. Als dit kernmateriaal een hoge permeabiliteit heeft, "verzamelt" het zich effectief en concentreert het deze magnetische veldlijnen en kan hij ze door zijn lichaam channelen. Deze fluxconcentratie is de primaire functie van een magnetische kern.

Belangrijke functies en toepassingen

Het vermogen van magnetische kernen om magnetische flux te concentreren, maakt verschillende cruciale functies mogelijk:

  • Verhoogde inductantie: In een inductor creëert een draadspoel een magnetisch veld. Zonder een kern is de inductie (het vermogen om energie op te slaan in een magnetisch veld) relatief laag. De introductie van een hoge permeabiliteit magnetische kern verhoogt de inductie van de spoel drastisch, waardoor deze meer energie kan opslaan en effectiever kan worden in filtering, afstemming en energieopslag. De inductantie ( ) van een spoel met een kern is recht evenredig met de permeabiliteit van de kern en het kwadraat van het aantal bochten, en omgekeerd evenredig met de magnetische padlengte.

  • Efficiënte energieoverdracht (transformatoren): In een transformator worden twee of meer spoelen gewikkeld rond een gemeenschappelijke magnetische kern. Wanneer een wisselstroom door de primaire spoel stroomt, genereert deze een veranderend magnetisch veld dat efficiënt wordt geleid door de kern met hoge permeabiliteit. Deze veranderende magnetische flux induceert vervolgens een spanning in de secundaire spoel, waardoor een efficiënte overdracht van elektrische energie tussen circuits mogelijk is, waarbij spanningsniveaus worden gestapt of omlaag. De kern minimaliseert lekflux (magnetische veldlijnen die beide spoelen niet koppelen), waardoor de koppelingsefficiëntie wordt gemaximaliseerd.

  • Verbeterde magnetische koppeling (motoren en generatoren): In motoren en generatoren vormen magnetische kernen delen van de stator en rotor, die de magnetische velden begeleiden die koppel produceren of elektriciteit genereren. De kern zorgt ervoor dat de magnetische veldlijnen effectief interageren tussen de stationaire en roterende delen, wat leidt tot efficiënte energieconversie.

Soorten magnetische kernen en hun eigenschappen

De keuze van magnetisch kernmateriaal is van cruciaal belang en hangt sterk af van de beoogde toepassing, met name de werkfrequentie en vermogensniveaus.

  1. Zachte ijzeren kernen: Dit zijn een van de eenvoudigste en oudste soorten magnetische kernen. Zacht ijzer wordt gebruikt vanwege de relatief hoge permeabiliteit en laag aanhoudendheid (het vermogen om magnetisme te behouden nadat het externe veld is verwijderd). Ze worden vaak aangetroffen in elektromagneten waar een sterk, tijdelijk magnetisch veld vereist is.

  2. Siliconen stalen kernen (laminaties): Voor AC -toepassingen zoals Power Transformers, siliciumstaal is het materiaal bij uitstek. De toevoeging van silicium (meestal 0,5% tot 4,5%) verhoogt de weerstand en vermindert kernverliezen , specifiek Eddy Current verliezen . Om wervelstromen verder te verminderen, die circulerende stromen zijn geïnduceerd in de kern door een veranderend magnetisch veld, zijn deze kernen geconstrueerd uit dunne vellen of laminaties die elektrisch van elkaar zijn geïsoleerd. Dit verbreekt de wervelstroompaden, waardoor ze in kleinere lussen worden gedwongen en hun omvang aanzienlijk worden verminderd. Hysteresis verliezen , een ander type kernverlies veroorzaakt door de energie die nodig is om de kern herhaaldelijk te magnetiseren en demagnetiseren, worden ook overwogen bij materiaalselectie; Siliciumstaal heeft een relatief smalle hysteresislus, wat duidt op een lager energieverlies per cyclus.

  3. Ferrietkernen: Ferrieten zijn keramische verbindingen die voornamelijk zijn samengesteld uit ijzeroxiden gemengd met andere metalen elementen (bijv. Nikkel, zink, mangaan). In tegenstelling tot metalen kernen zijn ferrieten isolatoren , wat betekent dat ze een extreem hoge weerstand hebben. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor hoogfrequente toepassingen (Kilohertz tot Gigahertz Range) waar wervelstroomverliezen onbetaalbaar zouden zijn in metalen kernen. Ferrieten zijn gecategoriseerd in:

    • Zachte ferrieten: Gebruikt in toepassingen zoals RF -transformatoren, inductoren en EMI -onderdrukking. Ze hebben een lage coërciviteit (gemakkelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd) en relatief lage verliezen bij hoge frequenties.

    • Harde ferrieten: Gebruikt voor permanente magneten vanwege hun hoge dwang en retentiviteit.

  4. Permalloy -kernen: Dit zijn nikkel-ijzeren legeringen die bekend staan ​​om hun extreem hoge magnetische permeabiliteit en lage dwang, vooral bij lage magnetische veldsterktes. Ze worden vaak gebruikt in gevoelige magnetische sensoren, magnetische afscherming en hoogwaardige audiotransformatoren waar precieze magnetische prestaties vereist zijn.

  5. Amorfe en nanokristallijne kernen: Dit zijn nieuwere klassen van materialen gevormd door snel afkoelende gesmolten metaal, waardoor de vorming van een kristallijne structuur wordt voorkomen. Ze bieden uitstekende magnetische eigenschappen, waaronder een zeer hoge permeabiliteit, lage kernverliezen en hoge verzadigingsfluxdichtheid, waardoor ze geschikt zijn voor hoogfrequente krachtelektronica en geavanceerde inductieve componenten.

Kernverliezen: een praktische overweging

Hoewel magnetische kernen de prestaties verbeteren, zijn ze niet verliesloos. De primaire soorten verliezen in magnetische kernen onder wisselstroomomstandigheden zijn:

  • Hysteresis verlies: Zoals vermeld, is dit de energie verdwenen als warmte wanneer de magnetische domeinen in het kernmateriaal zichzelf herhaaldelijk heroriënteren tijdens elke cyclus van magnetisatie en demagnetisatie. Het is evenredig met het gebied van de hysteresislus van het materiaal.

  • Eddy Current Loss: Dit zijn resistieve verliezen veroorzaakt door ongewenste circulerende stromen die binnen het kernmateriaal zelf worden geïnduceerd door het veranderende magnetische veld. Ze worden geminimaliseerd door het gebruik van gelamineerde kernen of materialen met hoge weerstand zoals ferrieten.

Ingenieurs selecteren zorgvuldig kernmaterialen en ontwerpen om deze verliezen te minimaliseren, waardoor de hoogst mogelijke efficiëntie voor de specifieke toepassing wordt gewaarborgd.


Magnetische kernen zijn onmisbare componenten die gebruikmaken van de principes van elektromagnetisme en materiaalwetenschap om magnetische velden te regelen en te optimaliseren. Hun vermogen om flux te concentreren, verliezen te verminderen en efficiënte energieoverdracht mogelijk te maken, maakt ze cruciaal voor het functioneren van talloze elektronische en elektrische systemen die onze moderne wereld van stroom voeden. Inzicht in hun fundamentele werking en de eigenschappen van verschillende kernmaterialen is essentieel voor iedereen die werkt met of het ontwerpen van elektrische circuits.

aangeraden producten