اشباع مغناطیسی قطعات رله هسته آهن: علل، خطرات، و استراتژی های کاهش مهندسی

اشباع مغناطیسی سر سرد هسته رله یک پدیده فیزیکی رایج در رله های الکترومغناطیسی و تجهیزات قدرت است. به حالتی اطلاق می شود که تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی متناوب یا ثابت، شدت القای مغناطیسی یک ماده به حد فیزیکی خود می رسد و دیگر نمی تواند با تقویت میدان مغناطیسی اعمال شده افزایش یابد. برای رله‌ها، عنوان سرد هسته رله، عنصر رسانای مغناطیسی هسته سیستم مدار مغناطیسی است و ویژگی‌های اشباع مغناطیسی آن مستقیماً بر ویژگی‌های عملیاتی، مصرف برق و پایداری عملیاتی بلندمدت رله تأثیر می‌گذارد.

I. علل اشباع مغناطیسی در هسته های رله

در رله ها، پین هسته، به عنوان یک جزء حیاتی از مدار مغناطیسی، اشباع مغناطیسی را عمدتاً به دلیل عوامل زیر تجربه می کند:

چگالی شار مغناطیسی بیش از حد مستقیم ترین علت اشباع مغناطیسی است. هنگامی که جریان سیم پیچ خیلی زیاد باشد یا تعداد چرخش ها بیش از حد باشد، چگالی شار مغناطیسی درون هسته از شدت القای مغناطیسی اشباع ماده بیشتر می شود و باعث اشباع شدن هسته می شود. در طراحی رله، اگر پیچ های آمپر سیم پیچ با سطح مقطع هسته آهن خالص مطابقت نداشته باشد، این مشکل ممکن است رخ دهد.

طراحی نامناسب مدار مغناطیسی همچنین می تواند اشباع مغناطیسی موضعی را القا کند. هنگامی که تغییرات ناگهانی در مقطع{1}}یا توزیع نامناسب شکاف هوا در مدار مغناطیسی وجود دارد، شار مغناطیسی در نواحی موضعی متمرکز می شود و باعث می شود که شدت القای مغناطیسی در آن نواحی قبل از سایر قسمت ها اشباع شود. در حالی که این اشباع موضعی ممکن است لزوماً منجر به شکست کلی مدار مغناطیسی نشود، باعث افزایش بی میلی مغناطیسی و تلفات در آن ناحیه می شود.

خواص مغناطیسی ذاتی ماده، نقطه بحرانی اشباع مغناطیسی را تعیین می کند. فولاد کم کربن معمولی دارای شدت القای مغناطیسی اشباع و نفوذپذیری کمتری نسبت به آهن خالص الکتریکی است، که باعث می‌شود تحت شدت میدان مغناطیسی پایین‌تر مستعد اشباع شود. بنابراین، انتخاب مواد برای میله آهن مغناطیسی نرم برای رله بسیار مهم است-آهن خالص الکتریکی با خلوص بالا دارای القای مغناطیسی اشباع بالاتر و اجبار کمتری است که می تواند وقوع اشباع مغناطیسی را به تاخیر بیندازد.

افزایش دما همچنین باعث می شود که نقطه اشباع مغناطیسی زودتر برسد. نفوذپذیری مواد هسته آهنی خالص با افزایش دما کاهش می‌یابد، به این معنی که در شرایط دمای بالا، یک هسته آهنی که در دمای اتاق غیراشباع است نیز ممکن است وارد حالت اشباع شود.

II. خطرات اشباع مغناطیسی هسته آهن

در عملیات رله واقعی، خطرات اشباع مغناطیسی هسته آهن چند وجهی است که بر عملکرد الکتریکی، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان مکانیکی تأثیر می گذارد.

کاهش نیروی مغناطیسی و عملکرد غیر قابل اطمینان مستقیم ترین آسیب اشباع مغناطیسی به رله ها می باشد. هنگامی که هسته رله آهن خالص وارد حالت اشباع می شود، نفوذپذیری آن به شدت کاهش می یابد و عدم تمایل مغناطیسی آن افزایش می یابد. در این مرحله، حتی اگر جریان سیم پیچ بیشتر افزایش یابد، شار مغناطیسی ارائه شده توسط بخش رله هسته آهنی دیگر افزایش نمی یابد و نیروی جاذبه الکترومغناطیسی روی آرمیچر اشباع می شود. این ممکن است باعث شود که رله به درستی در ولتاژ نامی درگیر نشود یا به اشتباه در طول نوسانات ولتاژ رها شود که به طور جدی قابلیت اطمینان مدار کنترل را تهدید می کند.

افزایش مصرف برق سیم پیچ و افزایش بیش از حد دما واکنش های زنجیره ای ناشی از اشباع مغناطیسی هستند. برای به دست آوردن نیروی مغناطیسی کافی، طراحان ممکن است سعی کنند نیروی مغناطیسی ناکافی ناشی از اشباع مغناطیسی را با افزایش جریان سیم پیچ جبران کنند، اما این باعث افزایش تلفات مس می شود و منجر به افزایش دمای سیم پیچ می شود. افزایش دما باعث کاهش بیشتر نفوذپذیری مواد می شود و یک چرخه معیوب ایجاد می کند. برای رله های هسته آهنی، کارکرد طولانی مدت در حالت اشباع نزدیک- ممکن است پیر شدن مواد عایق را به دلیل اثر دمای تجمعی تسریع کند و طول عمر کلی رله را کوتاه کند.

رانش ولتاژ عملیاتی اثر اشباع مغناطیسی بر قوام دسته رله است. هنگامی که خواص مغناطیسی هسته رله آهن مغناطیسی نرم به دلیل تغییرات دسته ای یا تغییرات دما به مرز اشباع نزدیک می شود، ولتاژ کشش و رهاسازی رله به طور قابل توجهی منحرف می شود. در تولید انبوه، این انحراف ممکن است باعث شود برخی از محصولات نتوانند محدوده ولتاژ عملیاتی مشخص شده در برگه داده را برآورده کنند و به یک عامل مهم محدود کننده بازده محصول تبدیل شود.

مسائل مربوط به سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به همان اندازه مهم هستند. در رله‌های AC یا رله‌های DC ضربانی، اشباع مغناطیسی بخش رله هسته آهنی می‌تواند منجر به اعوجاج شکل موج شار مغناطیسی شود و هارمونیک‌های مرتبه{{1} بالاتری ایجاد کند. این هارمونیک ها ممکن است با مدارهای کنترلی اطراف و خطوط ارتباطی از طریق تشعشع یا رسانایی تداخل داشته باشند و به طور بالقوه باعث نقص در تجهیزات الکترونیکی دقیق شوند.