در مقابل مغناطیسی شعاعی حلقه های مغناطیسی محوری: تفاوت چیست؟

در بسیاری از موتورها، حسگرها و دستگاه های انتقال مغناطیسی، ما اغلب با یک جزء کلیدی مواجه می شویم حلقه مغناطیسی  (یا حلقه آهنربایی). ممکن است شبیه یک حلقه دایره ای ساده به نظر برسد، اما جهت های مغناطیسی مختلف می تواند منجر به عملکرد و سناریوهای کاربردی کاملاً متفاوت شود.

دو روش متداول مغناطیس‌سازی  ، مغناطش شعاعی  و  مغناطیسی محوری هستند.

بسیاری از افرادی که برای اولین بار با آنها روبرو می شوند سؤالاتی دارند: چرا بین شعاعی و محوری برای یک شکل حلقه تمایز قائل می شوند؟ چه تفاوت هایی دارند؟ در عمل چگونه انتخاب می کنید؟

1. ابتدا 'جهت مغناطیسی' را درک کنید

یک حلقه مغناطیسی از مواد مغناطیسی دائمی مانند NdFeB متخلخل، NdFeB متصل، SmCo و غیره ساخته شده است. برای تراز کردن دامنه‌های مغناطیسی داخلی خود در جهت معینی، باید یک فرآیند 'مغناطیس‌سازی' را طی کند و در نتیجه میدان مغناطیسی خارجی پایداری را نشان دهد.

'جهت مغناطیسی' به جهتی اشاره دارد که در آن حوزه های مغناطیسی به طور یکنواخت در داخل حلقه قرار می گیرند.

برای آهنربای حلقه ای شکل، دو جهت اصلی وجود دارد:

• در امتداد شعاع →  مغناطش شعاعی;

•  در امتداد محور →  مغناطش محوری.

این تمایز ساده به نظر می‌رسد، اما مستقیماً تعیین می‌کند که خطوط میدان مغناطیسی چگونه جریان می‌یابند، میدان چگونه توزیع می‌شود و کجا بهترین کاربرد را دارد.

2. حلقه های شعاعی مغناطیسی

2.1 مغناطیس شعاعی چیست؟

مغناطش شعاعی یعنی جهت مغناطش در امتداد شعاع حلقه است.

فرم های رایج:

• سطح قطر بیرونی N قطب است، سطح سوراخ داخلی قطب S است.

• یا برعکس: سطح خارجی S، سوراخ داخلی N.

یعنی خطوط میدان مغناطیسی عمدتاً از سطح بیرونی، از فضای خارجی عبور می‌کنند و به سوراخ داخلی بازمی‌گردند. یا از سوراخ داخلی، از طریق شکاف شفت/هوا، به سطح بیرونی برگردید.

2.2 ویژگی های میدان مغناطیسی

قطب های مغناطیسی یک حلقه مغناطیسی شعاعی در سطوح استوانه ای داخلی و خارجی قرار دارند، نه روی وجه های انتهایی.

ویژگی های معمولی:

• میدان مغناطیسی به صورت محیطی توزیع می شود.

• یک میدان مغناطیسی شعاعی قوی در شکاف هوا بین قطر داخلی و خارجی ایجاد می کند.

• مناسب برای جفت گیری با ساختارهای استوانه ای مانند شفت، روتور و استاتور.

اگر مغناطیس شعاعی تک قطبی باشد، کل سطح بیرونی یک قطبی و سوراخ داخلی برعکس است. اگر مغناطش شعاعی چند قطبی باشد، سطح بیرونی قطب های N و S را در امتداد محیط تغییر می دهد که معمولاً برای تشخیص موقعیت با دقت بالا استفاده می شود.

2.3 برنامه های اصلی

حلقه های مغناطیسی شعاعی معمولاً در موارد زیر یافت می شوند:

• روتورها یا استاتورهای موتور آهنربای دائمی؛

• کوپلینگ مغناطیسی؛

• بلبرینگ مغناطیسی؛

• حلقه های آهنربایی رمزگذار؛

• برخی از سنسورهای هال و سنسورهای زاویه.

• کلاچ های مغناطیسی.

به عنوان مثال، در موتورهای بدون جاروبک، حلقه آهنربای روتور اغلب به صورت شعاعی مغناطیسی می‌شود، به طوری که وقتی سیم‌پیچ‌های استاتور انرژی می‌گیرند، با میدان شعاعی تعامل می‌کنند و نیروی مماسی تولید می‌کنند و چرخش را به حرکت در می‌آورند.

2.4 مزایا و محدودیت ها

مزایا:

• جهت میدان به خوبی با حرکت چرخشی مطابقت دارد.

• مناسب برای سازه های استوانه ای شکاف هوا؛

• مغناطش شعاعی چند قطبی تشخیص زاویه با دقت بالا را امکان پذیر می کند.

محدودیت ها:

• ساخت حلقه‌های متخلخل شعاعی با کارایی بالا دشوارتر و پرهزینه‌تر است.

• به وسایل و فرآیندهای مغناطیسی نیاز دارد.

• اگر از مواد همسانگرد استفاده شود، عملکرد مغناطیسی ممکن است کمتر از مواد ناهمسانگرد باشد.

3. حلقه های مغناطیسی محوری

3.1 مغناطیس محوری چیست؟

مغناطش محوری یعنی جهت مغناطش در امتداد محور حلقه است.

به طور معمول:

• وجه انتهایی بالا قطب N، وجه انتهایی پایین قطب S است.

• یا S بالا، پایین N.

خطوط میدان مغناطیسی عمدتاً از یک وجه انتهایی، از فضای خارجی عبور می کنند و به وجه انتهایی دیگر باز می گردند.

3.2 ویژگی های میدان مغناطیسی

قطب های مغناطیسی یک حلقه مغناطیسی محوری در دو وجه انتهایی قرار دارند.

ویژگی های معمولی:

• میدان در امتداد جهت محوری توزیع می شود.

• یک میدان مغناطیسی محوری قوی در نزدیکی سطوح انتهایی ایجاد می کند.

• مناسب برای جاذبه های انتهایی، شکاف های هوای مسطح، یا ساختارهای محوری شکاف هوا.

اگر دو حلقه مغناطیسی محوری با قطب های مشابه رو به روی هم قرار گیرند، دفع می شوند. با قطب های مخالف رو به رو، جذب می شوند.

3.3 برنامه های کاربردی اصلی

حلقه های مغناطیسی محوری معمولاً در موارد زیر یافت می شوند:

• مدارهای مغناطیسی بلندگو؛

• چاک ها و وسایل مغناطیسی؛

• موتورهای شار محوری؛

• آهنرباهای ماشه سوئیچ هال;

• سوئیچ های مجاورت مغناطیسی؛

• همزن مغناطیسی، پمپ مغناطیسی و غیره

به عنوان مثال، بسیاری از آهنرباهای بلندگوی دایره ای، آهنرباهای حلقه ای مغناطیسی محوری هستند. سیم پیچ صدا در میدان محوری حرکت می کند تا دیافراگم را برای تولید صدا هدایت کند.

3.4 مزایا و محدودیت ها

مزایا:

• فرآیند تولید نسبتاً ساده است، معمولاً هزینه کمتری دارد.

• مناسب برای جاذبه های انتهایی و ساختارهای شکاف هوای محوری.

• جهت قطب به راحتی قابل شناسایی و جمع آوری است.

محدودیت ها:

• در شکاف های هوای استوانه ای که به میدان های شعاعی نیاز دارند، استفاده از میدان ضعیف است.

• زمین با فواصل محوری بزرگتر به سرعت پوسیده می شود.

• مغناطش محوری چند قطبی وجود دارد اما کمتر از شعاعی چند قطبی رایج است.

4. تفاوت های اصلی بین مغناطیس شعاعی و محوری

برای مقایسه شهودی تر، در اینجا یک جدول خلاصه آمده است:

خوراکی های ساده:

• مغناطش شعاعی در مورد محیط است. مغناطش محوری در مورد وجوه انتهایی است.

• اگر شکاف هوای شما استوانه ای است (مثلاً بین روتور و استاتور)، معمولاً شعاعی ترجیح داده می شود.

• اگر شکاف هوای شما مسطح یا مبتنی بر صفحه انتهایی است (به عنوان مثال، موتور جاذبه، فشار-کشش، موتور شار محوری)، معمولاً محوری ترجیح داده می شود.

5. عوامل اضافی در انتخاب عملی

فراتر از جهت مغناطیسی، موارد زیر را در نظر بگیرید:

5.1 طراحی مدار مغناطیسی

حلقه مغناطیسی به صورت مجزا استفاده نمی شود. با یوغ ها، شفت ها، محفظه ها، شکاف های هوا و غیره کار می کند تا یک مدار مغناطیسی کامل را تشکیل دهد. جهت مغناطش باید با مدار کلی مطابقت داشته باشد. در غیر این صورت، استفاده از میدان کم خواهد بود.

به عنوان مثال، یک حلقه مغناطیسی شعاعی که در یک شکاف هوای محوری استفاده می شود، بیشتر میدان خود را در خارج از منطقه کار موثر هدر می دهد.

5.2 فرآیند تولید و هزینه

حلقه های NdFeB متخلخل شعاعی با عملکرد بالا، به ویژه حلقه های چند قطبی، پیچیده تر و پرهزینه تر از حلقه های مغناطیسی محوری هستند. اگر هزینه حساس باشد، می توان حلقه های پیوندی یا مواد همسانگرد را در نظر گرفت و در عین حال به جهت مغناطیسی مورد نیاز دست یافت.

5.3 روش مغناطیسی

مغناطش شعاعی معمولاً به وسایل خاصی برای هدایت میدان مغناطیسی در امتداد شعاع نیاز دارد. مغناطیس محوری نسبتاً ساده‌تر است و می‌توان آن را با بسیاری از مغناطیس‌کننده‌های استاندارد انجام داد.

5.4 دمای عملیاتی و پایداری

مواد مختلف تحمل دماهای متفاوتی دارند (مانند NdFeB، SmCo، فریت). این مستقل از جهت مغناطیسی است اما باید در پروژه کلی در نظر گرفته شود.

6. باورهای غلط رایج

افسانه 1: مغناطش شعاعی همیشه به معنای N بیرونی، S داخلی است.
نه لزوما. بسته به طراحی مدار، می تواند N/S داخلی یا S بیرونی/N داخلی باشد. مغناطش شعاعی چند قطبی یک قطبیت واحد نیست بلکه در اطراف محیط متناوب است.

افسانه 2: حلقه های مغناطیسی محوری را نمی توان برای حرکت چرخشی استفاده کرد.
آنها می توانند، اما برای ساختارهای شار محوری. در موتورهای شار محوری، صفحه انتهایی حلقه رو به استاتور است و شکاف هوا محوری است - بنابراین مغناطش محوری انتخاب مناسبی است.

افسانه 3: شعاعی همیشه بهتر از محوری است.
هیچ 'بهتر' مطلق وجود ندارد - فقط تناسب اندام برای هدف. حتی بهترین حلقه اگر در جهت نادرست شکاف هوا استفاده شود عملکرد ضعیفی خواهد داشت.

7. نتیجه گیری

تفاوت اساسی بین حلقه های شعاعی و محوری مغناطیسی در جهت مغناطیسی نهفته است که منجر به توزیع میدان های مختلف، ساختارهای مناسب شکاف هوا و کاربردهای معمولی می شود.

دو قانون ساده را به خاطر بسپارید:

• شکاف هوای استوانه ای → شعاعی را انتخاب کنید.

• شکاف هوای انتهایی → محوری را انتخاب کنید.

در پروژه های واقعی، به حلقه به صورت مجزا نگاه نکنید - مدار مغناطیسی، فضای مونتاژ، شرایط فرآیند و هزینه را به عنوان یک کل در نظر بگیرید. هنگامی که این دو روش مغناطیسی را درک کنید، بسیاری از مسائل انتخاب بسیار واضح تر می شوند.