تسرب التدفق المغناطيسي Magnetic Leakage and Fringing

ما هو تسرب التدفق المغناطيسي Leakage Flux؟

إنّه ذلك التدفق الذي لا يتبع مساره المقصود أو المطلوب في دائرة مغناطيسية. يسمّى التدفق في فجوة الهواء “التدفق المفيد”. “تدفق التسرب = التدفق الكلي – التدفق المفيد” (Leakage flux = Total flux – Useful flux). التسرب المغناطيسي والتهدب، تخيل وجود حلقة حديدية ممغنطة ذات فجوة هوائية ضيقة، ويمكن اعتبار التدفق الذي يعبر الفجوة تدفقًا مفيدًا. بعض التدفق الكلي الناتج عن الحلقة لا يعبر فجوة الهواء، ولكنّه يأخذ مسارًا أقصر، ويعرف باسم “تدفق التسرب” (leakage flux).

ينتفخ التدفق أثناء عبور الفجوة الهوائية للخارج بسبب الاختلاف في التردد. هذا هو المعروف باسم “التهديب”. وذلك لأنّ خطوط القوة تتنافر عند المرور عبر الهواء، ونتيجةً لذلك تقل كثافة التدفق في فجوة الهواء. لغرض الحساب، من المفترض أن يحمل الحديد كامل التدفق الكلي طوال طوله. تسمّى نسبة التدفق الكلي إلى التدفق المفيد معامل التسرب (leakage coefficient) أو عامل التسرب (leakage factor):

Leakage factor = Total flux / useful flux

تسرب التدفق المغناطيسي Magnetic Leakage:

تدفق التسرب هو ذلك الجزء من التدفق الكلي الذي يتبع مسارًا غير مقصود. نظرًا لأنّه من الصعب التنبؤ بكمية التسرب ومسار التسرب بدقة، فإنّ تدفق التسرب لا يخدم أي عمل مفيد. يتم تمثيل تدفق التسرب بواسطة عامل التسرب:

λ = total flux / useful flux

التهديب المغناطيسي Magnetic Fringing:

يميل التدفق المفيد الموجود في فجوة الهواء إلى الانتفاخ، وبالتالي زيادة المساحة الفعّالة للفجوة وتقليل كثافة التدفق في الفجوة. هذا التأثير يسمّى “التهديب” (fringing).كلما طالت فجوة الهواء، سيكون تأثير الهدب أكبر. تهديب التدفق وثيق الصلة بشكل خاص بالنوى المغناطيسية ذات الفجوة الهوائية، على سبيل المثال في محولات (flyback) أو محاثّات (PFC). تمّ تصميم النواة المغناطيسية بحيث يتم وضع فجوة محددة جيدًا في الدائرة المغناطيسية لتخزين الطاقة في المجال المغناطيسي.

تشكل فجوة الهواء (air gap) انقطاعًا مغناطيسيًا في اللب المغناطيسي. النفاذية النسبية للفجوة الهوائية تساوي:

μ_{r, gap} ≈ 1

بينما بالنسبة للمادة الأساسية عادةً ما تكون أكبر بكثير وتساوي:

μ_{r, core} >> 1

يُجبر التدفق المغناطيسي على التدفق عبر الفجوة التي تمثل ممانعة أكبر بكثير من طول القلب المماثل. ومع ذلك، فإنّ ممانعة الجزء المحلي المعين من فجوة الهواء لا يعتمد فقط على طول الفجوة، ولكن أيضًا على مساحة المقطع العرضي. يمثل حجم الوسيط خارج الفجوة، ولكن بجواره مباشرة يمثل منطقة مقطعية مماثلة بنفس نفاذية أقل، لذلك فإنّ ممانعته الفعّالة مشابه لمقاوم الفجوة. لذلك، يتم مشاركة التدفق المغناطيسي بين فجوة الهواء في القلب والحجم المجاور خارج القلب.

نتيجةً لذلك، يقلل تأثير التهديب من ممانعة المسار المغناطيسي وبالتالي يزيد من محّاثة الملف المصنوع على مثل هذا النواة المغناطيسية. عامل تدفق الهدب (fringing flux factor) (F_FF)، التي يزيد بها الحثّ يعتمد على هندسة النواة المغناطيسية.

زيادة فقدان النحاس Increased copper loss:

حجم تدفق التهديب كبير نسبيًا، بسبب تركيز التدفق في القلب المغناطيسي. ومن ثمّ، يمكن أن يكون هناك تيارات دوامة كبيرة متولدة في أي مادة موصلة موضوعة في حجم تدفق التهديب. تتفاقم هذه الخسائر الإضافية عند الترددات الأعلى، باتباع نفس تعريف مبدأ التسخين.

ينطبق هذا أيضًا على اللفات المصنوعة من مواد عالية التوصيل مثل النحاس أو الألومنيوم. يمكن أن يتعرض جزء الملف الموضوع بجوار فجوة الهواء مباشرة للتسخين المفرط الناجم فقط عن التيارات الدوامة في السلك النحاسي. قد يكون فقد الطاقة الإضافي صغيرًا مقارنة بالفقد الكلي للمحول أو المحثّ، ولكن يمكن أن يخلق محليًا بقعة ساخنة ذات درجة حرارة عالية. يعمل جزء الملف الخاضع لتدفق التهديب عند درجة حرارة تزيد بمقدار (50) درجة مئوية عن باقي أجزاء الملف.

من الناحية العملية، بالنسبة للفجوة الهوائية المنتظمة، يتم إنتاج المجال المغناطيسي عالي الكثافة بسبب تدفق التهديب على مسافة مساوية تقريبًا لطول فجوة الهواء. لذلك، مع وضع جزء من الملف بعيدًا عن هذه المسافة تقريبًا، لم يعد المجال المغناطيسي عالي الكثافة يخترق اللفات بعد الآن، وتم تقليل فقد النحاس المحلي بشكل كبير، بحيث انخفضت درجة حرارة النقطة الساخنة إلى نفس درجة الحرارة تقريبًا.

زيادة فقدان النواة Increased core loss:

يعتبر تدفق التهديب مهمًا بشكل خاص لأجهزة التيار المتردد ذات النوى المصفحة. للحصول على فجوة هواء موحدة، يتدفق التدفق بالتساوي من جميع الجوانب. على حواف التصفيح، لن تتجاوز التيارات الدوامة السعة العادية، لأنّ الأبعاد المعنية هي نفسها وكذلك كثافة التدفق. عادةّ ما يتم اختيار السماكة الفعّالة للرقائق لإنتاج حجم يمكن التحكم فيه من التيارات الدوامية، للحفاظ على إجمالي الخسائر عند مستوى مقبول.

ومع ذلك، يتدفق تدفق التهديب عبر جميع الجوانب، بما في ذلك تلك التي تحتوي على مساحة سطح كبيرة من التصفيح. اتساع كثافة التدفق هو نفس الترتيب من حيث الحجم كما هو الحال في بقية القلب، ولكن بالنسبة للمكون العمودي للتدفق “العادي على السطح”، فإنّ “السُمك” النشط للتصفيح يساوي العرض الكامل للشريط. يتناسب فقدان “تيار إيدي” تقريبًا مع مربع السماكة، لذلك يمكن إنتاج خسائر زائدة عن طريق “تيارات إيدي” مستوية عالية السعة.

سيتم تطوير خسائر مماثلة في أي أجزاء موصلة أخرى، على سبيل المثال العلب المعدنية أو القضبان الداعمة إذا تمّ وضعها داخل المساحة المتأثرة بتدفق الهدب. من الممكن جعل الجزء المشقوق من القلب مصفحًا شعاعيًا. مع مثل هذا البناء، لا تعرض جميع الجوانب سوى حواف التصفيح، لذلك لا توجد أسطح كبيرة يمكن فيها إحداث تيار دائري مستو عالي الحجم.

ومع ذلك، فإنّ تصنيع مثل هذه النوى يتطلب عمالة أكثر، وبالتالي فإنّ التكاليف أعلى نسبيًا. أيضًا، نظرًا للطريقة التي يتم بها تكديس التصفيح في حزم، يتم تقليل عامل التكديس مقارنةً باللباب المصقولة عادةً.

الحد من تدفق التهديب Reduction of flux fringing:

كما ذكرنا سابقًا، فإنّ المسافة التي يمر بها هامش التدفق عالي السعة تتناسب تقريبًا مع طول فجوة الهواء. ومن ثمّ، يمكن تقسيم فجوة كبيرة واحدة إلى عدة فجوات أصغر، مع حجم إجمالي مماثل، وبهذه الطريقة يتم الحفاظ على النفاذية الفعّالة وقدرات تخزين الطاقة، ولكن يتم تقليل هامش التدفق بشكل كبير. يتم تطبيق مثل هذه الحلول بشكل شائع خاصة في المفاعلات الكبيرة.

تحتوي نوى المسحوق على فجوة هوائية موزعة داخل الحجم الكامل للنواة. النفاذية الفعّالة أقل إلى حد كبير (عادةً بين 14-160)، لكنها موحدة في جميع أنحاء الحجم بأكمله. بدون تركيز تدفق فجوة الهواء يتم التخلص عمليًا من تهديب تدفق الهواء. وبالتحديد، لا توجد منطقة محددة في المنطقة المجاورة مباشرة للنواة المغناطيسية التي تتعرض لضخامة عالية من المجال المغناطيسي. يمكن صنع نوى المسحوق من عدة مواد، ولكن في جميع الحالات، يقدم اللب أداءً مماثلاً من وجهة نظر القضاء على هدب التدفق.