Vasmag

A vasmag kulcsszerepet játszó alkatrésze sok elektromágneses eszköznek, így például az elektromágneseknek, transzformátoroknak, tekercseknek vagy induktivitásoknak, és a villamos forgógépeknek is, noha utóbbi esetben általában „vastestnek” nevezik. A vasmag elnevezése ellenére nem feltétlenül vasból készül, noha leggyakrabban ténylegesen vas anyagú.

Legfontosabb szerepe, hogy az ilyen eszközök gerjesztés igényét csökkentse, azaz az eszközben egy adott árammal vasmag alkalmazása mellett nagyobb mágneses indukciót hozhatunk létre. További fontos szerepe a mágneses fluxus vezetése, ami által árnyékolási funkciót is elláthat.

Ezeket a feladatokat akkor képes ellátni, ha olyan anyagból készül, amely permeabilitása nagy például ferrit, vas, nikkel, kobalt és egyéb ferromágneses anyagok.

Az elektromágneses eszközök működése szempontjából a vasmag következő jellemzői rendkívül fontosak:

a vasmag geometriája (keresztmetszetek, hosszok)
a légrés mérete (amennyiben van)
a vasmag mágneses tulajdonságai főként a permeabilitás, a mágnesezési görbe hiszterézis területének nagysága, és a gazdaságosan elérhető maximális mágneses indukció
a működési hőmérséklet (a mágneses tulajdonságok ugyanis hőmérsékletfüggőek)
a villamos vezetőképesség (Ez utóbbi váltakozóáramú felhasználásnál fontos, hiszen ekkor a változó mágneses fluxus a vasmagban is indukál feszültséget, ami az ellenállástól függő nagyságú áramokat okoz (örvényáramok) Az örvényáramok csökkenthetők a vasmag lemezelésével, valamint nagy ohmos ellenállású anyagok használatával.

Vasmagok osztályozása

Vasmag anyaga alapján:

lágyvas
vas-szilikát
ferrit
porvas
Egyéb, speciális anyag

Felépítés alapján:

vágott lemezes
hajlított lemezes
tömör

A vasmag alakja alapján:

Hasáb, henger
CI, UI
M, EI
Toroid
Fazékvasmag
Sík, planáris
Egyéb: motor/generátor/dinamó állórész/forgórész, eltérítőtekercsek, stb...

Elterjedten használt vasmagtípusok

Körkeresztmetszetű egyenes rúd

Leggyakrabban ferritből vagy hasonló anyagból készül, és rádiókban használják egy tekercs induktivitásának finomhangolására. A vasmag a tekercs belsejében finoman mozgatható, és ezáltal változtatható annak induktivitása.

A nagy permeabilitású vasmag jelenléte növeli az induktivitást, de a mágneses tér a rúd két végén kilépve a levegőn keresztül záródik. A levegőn át záródó rész biztosítja, hogy az induktivitás lineáris, telítődés nem fordul elő üzemi áramoknál. Az effajta tekercseknél a rúd két végén elektromágneses sugárzás lép fel, ami elektromágneses interferenciát okoz. Ez bizonyos esetekben problémát jelent.

"I" vasmag

Négyszögkeresztmetszetű rúd, önmagában ritkán használják.

"C" vagy "U" vasmag

C és U alakú vasmagok segítségével könnyen készíthető zárt vasmag egy további I, C vagy U' mag felhasználásával.

Egy U alakú vasmag éles sarkokkal
Egy C alakú vasmag lekerekített sarkokkal

"E" vasmag

Az E alakú vasmag az előzőekhez képest szimmetrikusabb megoldás a zárt mágneses kör szempontjából. Legtöbbször a tekercset a középső oszlop köré tekerik, amely keresztmetszete a szélső oszlopokénak kétszerese.

E vasmag
Az EFD vasmag vékonyabb tekercsek vagy transzformátorok elkészítését teszi lehetővé
Az ER vasmag középső oszlopa körkeresztmetszetű
Az EP vasmag a fazék vasmag és az E vasmag ötvözete

Zárt vasmag „E" és „I" vasmag felhasználásával

Vaslemezekből „E" és „I" alakú darabok kisajtolásával készül. Az „I" magot az „E" nyitott végére helyezik. A tekercset vagy tekercseket bármely oszlopra rá lehet tekerni azonban a szimmetria miatt a középsőre szokás. Ezt a fajta magot igen gyakran használják transzformátorok, autotranszformátorok és induktivitások készítésére. Induktivitások esetén néha célszerű a vasmag telítésének elkerülése érdekében egy kis légrést hagyni, ekkor általában az „E" mag középső oszlopa rövidebb, mint a két szélső.

Induktivitás készítése két ER magból, egy műanyag csévetest és két klipsz. A csévetest tűs csatlakozókkal rendelkezik, hogy nyomtatott áramköri lemezbe lehessen forrasztani.

Az előző ábra robbantva

Zárt vasmag „E" vasmag párból

Az „I" és „E" maghoz hasonlóan két „E" magból is készíthető zárt vasmag. Szintén az előbbiekhez hasonlóan lehetőség van légrés beépítésére.

Vágott vaslemezből készült vasmagok

Napjainkban is elterjedt a melegen hengerelt szilícium-vas lemezekből készített vasmagok. Az ilyen vasmagból készült transzformátorok tápegységekben való használata visszaszorult, viszont nagy teljesítményű, több kW-os, illetve MW-os teljesítményű transzformátorok készítéséhez ma is ilyen transzformátorokat használnak.

Régebben hálózati tápegységek transzformátorait és hangfrekvenciás illesztőtranszformátorokat készítettek ezzel a technikával. Mind a lemezek, mind a vasmagok méretét szabvány határozta meg.


Vasmagtípusok jelölése
Vasmag	Volt szocialista országokban	Nemzetközi
EI	EI	SE
M	M	SM
UI, CI	UI	SU

EI lemezmagok szabványos adatai^[1]


Jelölés	a	b	c	d	e	A_mag(cd)	A_ablak(eb)	P	η	Közepes menethossz	Primer tekercs		Szekunder tekercs		Δi
Jelölés	mm					cm²		VA	%	cm	n_p (menet/V)	S_n (A/mm²)	n_s (menet/V)	Sn (A/mm²)	Δi
EI 30/10	30	15	10	10	5	1	0,75								1,03
EI 38/12	38	19,2	12,8	12	6.4	1,54	1,22
EI 42/14	42	21	14	14	7	1,96	1,47
EI 48/16	48	24	16	16	8	2,56	1,92	5	65	9,1	17,5	4,4	20	1,15
EI 54/18	54	27	18	18	9	3,24	2,43	10	68	10,4	13,6	3,9	15,4
EI 60/20	60	30	20	20	10	4	3	15	72	11,6	10,9	3,7	12
EI 66/22	66	33	22	22	11	4,84	3,63	20	75	12,7	9,1	3,5	10
EI 78/26	78	39	26	26	13	6,76	5	35	78	14,9	6,5	3,2	7
EI 84/28	84	42	28	28	14	7,84	5,88	50	81	16,1	5,6	3	6,2
EI 84/42	84	42	28	42	14	11,76	5,88	76	85	19,2	3,7	2,9	4
EI 92/23	92	51	23	23	23	5,29	11,73
EI 92/32		51	23	32	23	7,36	11,73
EI 92/30		46	30	30	16	9	7,36
EI 92/42		46	30	42	16	12,6	7,36
EI 106/32	106	56	29	32	24	9,28	13,44
EI 106/45		56	29	45	24	13	13,44
EI 106/34		53	34	34	18	11,56	9,54
EI 106/35			35	35		12,3		100	85	22	3,5	2,6	3,6	1,15
EI 106/47			47	47		15,98		140	87	23,9	2,7	2,4	2,8	1,15
EI 130/36	130	70	35	36	30	12,6	21
EI 130/46	130	70	35	46	30	12,1	21	230	90	54,3	3,5	2,2	3,6	1,15

M lemezmagok szabványos adatai

Jelölés	a	b	c	d	e	A_mag(cd)	A_ablak(eb)	P	η	Közepes menethossz	Primer tekercs		Szekunder tekercs		Δi
Jelölés	mm					cm²		VA	%	cm	n_p (menet/V)	S_n (A/mm²)	n_s (menet/V)	S_n (A/mm²)	Δi
M 20/5	20	13	5	5	4	0,25	0,52
M 30/7	30	20	7	7	6,5	0,49	1,3
M 42/15	42	30	12	15	9	1,8	2,7	4	60	9,3	21,6	4,5	28,1	1,15	1,25
M 55/20	55	38	17	20	10,5	1,8	4	12	70	12,2	11,6	3,8	13,4		1,12
M 65/27	65	45	20	26	12,5	3,4	5,63	25	77	14,5	7,5	3,3	8,2		1,08
M 74/32	74	51	23	32	14	7,36	7,14	50	83	16,7	5,5	3	6		1,06
M 85/32	85	56	29	32	13,5	9,28	7,56	70	84	17,2	4,3	2,9	4,6		1,05
M 85/45	85	56	29	45	13,5	13	7,56	100	85	18,7	3,1	2,6	3,3		1,04
M 102/35	102	68	34	35	17	11,9	11,56	120	87	20	3,1	2,4	3,6		1,04
M 102/53	102	68	34	53	17	18	11,56	180	89	23,8	2,3	2,3	2,4		1,03

Fazék vasmag

'RM' típusú fazék mag

Általában ferritből vagy hasonló anyagból készül. Induktivitások és kis transzformátorok készítésére használják. A fazékmag alakja kör egy belső oszloppal, és így a mag teljesen körbezárja a tekercset. Általában a vasmag két azonos félből készül. Ez a vasmagtípus eredményezi a legjobb árnyékoló hatást, és így az így készült eszközök okozzák a legkisebb elektromágneses interferenciát.

Toroid vasmag

Az ilyen vasmagok alakja toroid, azaz egy fánkhoz hasonló. A tekercset vagy tekercseket erre tekerik fel a középső lyukon átfűzve. Az ideális tekercs menetei egyenletesen oszlanak el a toroid kerülete mentén. Ebben az esetben a mágneses fluxus a vasmag nélkül is főként a tekercs belsejében záródna, így ilyen konstrukcióval érhető el a legkisebb szórt fluxus. Ezáltal nagyon jó hatásfokú, kis elektromágneses interferenciával rendelkező transzformátor vagy induktivitás hozható létre. Emiatt ez a megoldás nagyon elterjedten használt hifi erősítőkben, ahol az előbbi tulajdonságok igen fontosak. Ugyanakkor a tekercs elkészítése ebben az esetben bonyolultabb, mint a több részből összerakott magok esetében, és különleges gépet igényel.

A toroid vasmagok készülhetnek lemezelt vasból vagy porvasmagból, ferritből is. A lemezelt vasból készült toroid vasmagok leginkább hálózati transzformátorok vasmagjaként használatos.

A porvasból, ferritből készült toroid vasmagok rádiófrekvenciás transzformátorokban, tekercsekben használatosak. A porvasmagos tekercsek, transzformátorok üzemi frekvenciatartományát a vasmag anyaga határozza meg. A vasmag anyagát jelölik számmal vagy színkóddal.

Néhány toroid porvasmag technikai jellemzője:^[2]


Anyag			μ0	Hőmérsékleti stabilitás +ppm/°C	Üzemi frekvenciatartomány (MHz)
Kód	Színkód	Megnevezés			Rezonáns áramkörökben		Szélessávú áramkörökben
Kód	Színkód	Megnevezés			min	max	min	max
42	kék/vörös	Hidrogénnel redukált	40	550	0,3	0,8
3	szürke/ures	Karbonil HP	35	370	0,2	1
8	narancs/üres	Karbonil GQ4	35	255	0,2	1	40	250
1	kék/üres	Karbonil C	20	280	0,15	3
15	vörös/fehér	Karbonil GS6	25	190	0,15	3
2	vörös/üres	Karbonil E	10	95	0,25	10	150	300
7	fehér/üres	Karbonil TH	9	30	1	25
4	kék/fehér	Karbonil J	9	280	3	40
6	sárga/üres	Karbonil SF	8,5	35	3	40	200	400
10	fekete/üres	Karbonil W	6	150	15	100	300	750
17	kék/sárga	Karbonil	4	50	20	200
12	zöld/fehér	Szintetikus oxid	4	170	30	250
0	üres	Fenolos alapú	1	0	50	350	350	1000
5	szürke/üres	Karbonil	5	280		10
14	fekete/vörös	Ferrit	14	150		0,38
18	zöld/vörös	Ferrit	55	385		1,3
19	vörös/zöld	Ferrit	55	650		1
26	sárga/fehér	Ferrit	75	825		0,38
30	zöld/szürke	Ferrit	22	565		1,8
34	szürke/kék	Ferrit	33	565		1,4
35	sárga/szürke	Ferrit	33	665		1,1
38	szürke/fekete	Ferrit	85	956		0,27
40	zöld/sárga	Ferrit	60	950		0,38
45	fekete/fekete	Ferrit	100	1043		0,34
52	zöld/kék	Ferrit	75	650		0,59

A gyártó a különböző vasmagokhoz katalógusban megadja az 1 menetre vonatkozó induktivitást (A_L), amelyből kiszámítható, hogy adott induktivitás eléréséhez hány menetet kell felcsévélni a vasmagra:

$N={\sqrt {\frac {L}{A_{L}}}};L(nH)$

N - a szükséges menetszám
L - az elérendő induktivitás (nH)
A_L - önindukciós együttható, katalógusadat (nH/N²)


A_L értékek különféle toroid porvasmagokhoz
Méretkód	Anyag													Méret
	1	2	3	4	6	7	8	10	12	15	17	42	0	OD	ID	Ht	l	A	V
	±10%	±5%	±10%	±5%	±5%	±5%	±10%	±5%	±5%	±10%	±5%	±10%		mm			cm	cm²	cm³
T5-					1			0,7			0,42		0,16	1,27	0,64	0,64	0,3	0,0019	0,0006
T7-	3,5	1,35			1,3			0,9	0,6		0,6		0,3	1,78	0,89	0,76	0,42	0,0035	0,0015
T10-	3,2	1,35			1,15			0,8	0,5		0,5		0,24	2,46	1,12	0,76	0,56	0,0045	0,0025
T12-	4,8	2	6		1,7	1,8		1,2	0,75	5	0,75		0,24	3,18	1,57	1,27	0,75	0,01	0,0077
T16-	4,4	2,2	6,1		1,3			1,3	0,8	5,5	0,8		0,3	4,06	1,98	1,52	0,93	0,015	0,0141
T18-					0,9									4,7	2,59	1,02	1,14	0,01	0,0114
T20-	5,2	2,5	7,6		2,2	2,3		1,6	1	6,5	1		0,35	5,08	2,24	1,78	1,15	0,023	0,026
T22-	5,5				4,5			3,2						5,66	2,46	3,63	1,28	0,052	0,067
T25-	7	3,4	10		2,7	2,9		1,9	1,2	8,5	1,2		0,45	6,48	3,05	2,44	1,5	0,037	0,055
T27-		3,3			2,7			2,2	1,5		1,3		0,45	7,11	3,84	3,25	1,71	0,047	0,08
T30-	8,5	4,3	14		3,6	3,7		2,5	1,6	9,3	1,6		0,6	7,8	3,84	3,25	1,84	0,061	0,11
T37-	8	4	12		3	3,2		2,5	1,5	9	1,5		0,49	9,53	5,21	3,25	2,31	0,064	0,147
T44-	10,5	5,2	18		4,2	4,6		3,3	1,85	16	1,85		0,65	11,2	5,82	4,04	2,68	0,099	0,266
T50-	10	4,9	17,5		4	4,3		3,1	1,8	13,5	1,8		0,64	12,7	7,7	4,83	3,19	0,112	0,358
T60-		6,5			5,5									15,2	8,53	5,94	3,74	0,187	0,699
T68-	11,5	5,7	19,5		4,7	5,2		3,2	2,1	18	2,1		0,75	17,5	9,4	4,83	4,23	0,179	0,759
T72-		12,8	36			9,5								18,3	7,11	6,6	4,01	0,349	1,4
T80-	11,5	5,5	18		4,5	5		3,2	2,2	17	2,2		0,85	20,2	12,6	6,35	5,14	0,231	1,19
T94-	16	8,4	24,8		7			5,8		20	2,9		1,06	23,9	14,2	7,92	5,97	0,362	2,16
T106-	28	13,5	45		11,6	13,3				34,5	5,1		1,9	26,9	14,5	11,1	6,49	0,659	4,28
T130-	20	11	35		9,6	10,3				25	4		1,5	33	19,8	11,1	8,28	0,698	5,78
T157-	32	14	42		11,5						5,3			33,9	24,1	14,5	10,1	1,06	10,7
T175-		15			12									44,5	27,2	16,5	11,2	1,34	15
T184-	50	24	73		19,5						8,7			46,7	24,1	18	11,2	1,88	21
T200-	25	12	42		10,4	10,5								50,8	31,8	14	13	1,27	16,4
T225-		12	42,5		10,4									57,2	35,6	14	14,6	1,42	20,7
T300-		11,4												77,2	49	12,7	19,8	1,68	33,4
T400-		18												102	57,2	16,5	25	3,46	86,4
T520-		20												132	78,2	20,3	33,1	5,24	173

Sík vagy planáris vasmag

Sík (planáris) 'E' vasmag

Egy sík vasmag két mágnesezhető anyagból készült lapból áll. Egyiket a tekercs alatt, másikat a tekercs felett helyezik el. Tipikusan nyomtatott áramköri tekercseléssel használják. Ez a konstrukció tömeggyártásra kiválóan alkalmas, nagy teljesítménysűrűséget tesz lehetővé kedvező költségek mellett. Árnyékolási szempontból nem annyira ideális, mint a fazék vasmag vagy a toroid vasmag, viszont gyártása jóval olcsóbb.

Planáris induktivitás

Robbantott ábra, amely mutatja a nyomtatott áramköri lemezen elhelyezkedő spirális tekercset

Veszteségek

A vasmagban ébredő veszteségeket nevezik az elektrotechnikában vasveszteségnek. Ez a veszteség több komponensből tevődik össze, amelyek különböző fizikai jelenségekből származnak. Két legfontosabb komponense a hiszterézisveszteség és az örvényáramú veszteség. Ezeken kívül létezik még egy a ferromágneses anyag domén falainak mozgásából adódó veszteség komponens is, amellyel azonban a mérnöki gyakorlatban általában külön nem számolnak.

Hiszterézis veszteség

A vasmagként használt ferromágneses anyagok mágnesezési görbéje (B(H) görbe) hiszterézises jellegű, a hiszterézis hurok területe arányos az egységnyi tömegű anyagban egy átmágnesezési ciklus alatt elveszett energiával [J/kg]. A hurok területe a telítésig jó közelítéssel a mágneses indukció maximumának négyzetével arányos. Az időegység alatt történő átmágnesezési ciklusok számát ciklusszámot a frekvencia adja, amivel így a hiszterézis veszteség egyenesen arányos. Értelemszerűen a vasmag köré csévélt tekercs vagy tekercsek egyenárammal történő táplálása esetén a frekvencia nulla, átmágneseződés nem történik, így hiszterézis veszteség sincs. A mérnöki gyakorlatban egy anyag hiszterézis veszteségét egy jellemző frekvencia és maximum mágneses indukcióra szokás megadni például az alábbiak szerint:

{v_{ha}=1,4{\frac {W}{kg}}}

@

f_{a}=50Hz,B_{a}=1T

Más frekvenciaértékre és maximális indukcióértékre a veszteségi szám az alábbiak szerint számítható át:

v_{h}=v_{ha}{\frac {f}{f_{a}}}*{\frac {B*B}{B_{a}*B_{a}}}

A veszteség nagysága a mágneses indukció frekvenciáján és maximumán kívül a jelalaktól is függ, az előbbiek szinuszos változásra vonatkoznak. A szinuszénál meredekebb átmenettel rendelkező jelalak esetén (pl. négyszög vagy háromszög jel) a veszteség nagyobb lesz.

Örvényáramú veszteségek

A vasmagban indukálódó feszültség által keltett áramok is veszteséget okoznak, ezeket örvényáramú veszteségnek nevezik, mivel az így kialakuló áramok örvényekként veszik körbe a vasmagban váltakozó fluxust. Minél nagyobb a maganyag villamos ellenállása annál kisebb lesz a veszteség (fordított arányosság). Az örvényáramú veszteséget lemezeléssel lehet csökkenteni. A lemezhatárokat az áramokra merőlegesen kell elhelyezni.

A hiszterézis veszteséghez hasonlóan a mérnöki gyakorlatban az örvényáramú veszteséget is egy jellemző frekvencia és maximális indukció értékre adják meg. Az örvényáramú veszteségek azonban a hiszterézis veszteségtől eltérően a maximális indukcióval és a frekvenciával is négyzetesen arányos. Megadása és átszámítása például:

{v_{oa}=0,9{\frac {W}{kg}}}

@

f_{a}=50Hz,B_{a}=1T

v_{o}=v_{oa}{\frac {f*f}{f_{a}*f_{a}}}*{\frac {B*B}{B_{a}*B_{a}}}

Doménfal mozgás

A változó mágneses tér hatására a ferromágneses anyagokban található domének határai kismértékben elmozdulnak. Egyes domének megnőnek, míg mások összezsugorodnak, és e ciklikus mozgás energiaveszteséggel (az anyag melegedésével) jár. A doménfalak mozgása által okozott veszteségi teljesítmény a frekvencia első, a mágneses indukció másfeledik hatványával arányos.

Veszteségi szám

Egy maganyag veszteségi száma adott frekvenciára és maximális indukcióra vonatkoztatva a hiszterézis veszteségi szám és az örvényáramú veszteségi szám összege. Sok esetben a gyártók csak ezt adják meg, de megadják 50 Hz-re és 60 Hz-re is. Ekkor a frekvenciafüggés különbségeit kihasználva a két érték alapján meghatározható az örvényáramú és a hiszterézis veszteségi szám.

Lásd még

Jegyzetek

↑ Ferenczi Ödön. Tápegységek amatőröknek. Műszaki könyvkiadó, Budapest (1980). ISBN 963-10-3214-0
↑ PC - All PC Iron Powders - Micrometals. www.micrometals.com. (Hozzáférés: 2024. november 25.)

Külső hivatkozások

Toroid Winding Calculator Archiválva 2007. szeptember 28-i dátummal a Wayback Machine-ben – Online ferrit és por vasmag méretező

[1] Ferenczi Ödön. Tápegységek amatőröknek. Műszaki könyvkiadó, Budapest (1980). ISBN 963-10-3214-0

[2] PC - All PC Iron Powders - Micrometals. www.micrometals.com. (Hozzáférés: 2024. november 25.)

[1]

[2]