¿Por qué el exterior de un electroimán no es magnético?

En la configuración del electroimán (5 voltios CC, construido sobre un núcleo de transformador) que se muestra a continuación, solo la parte del núcleo es magnética (cuando está encendida, atrae una pieza de acero), pero no las 2 "alas" exteriores que se supone que canalizan el magnético. flujo. Su fuerza magnética es aproximadamente 1/10 del núcleo central.

¿Porqué es eso? ¿Existe una geometría para mejorar la canalización del flujo magnético en el exterior de la bobina?ingrese la descripción de la imagen aquí

Por cierto, el "¿por qué?" Es posible que las preguntas no produzcan las respuestas deseadas si su verdadera pregunta es "¿cómo hacer que el imán sea más fuerte?"
Duplicado exacto de una pregunta en Engineering.SE

Respuestas (2)

Aprender a leer un circuito magnético es una habilidad que no se enseña mucho hoy en día.

Tiene razón (en su comentario a la respuesta de Dmitry) en que el mismo flujo está presente en el polo central y en el polo exterior (dividido).

Sin embargo, observe que el área total en el poste central es un cuadrado (supongo que una pulgada cuadrada), al ras con la bobina.

Ahora mida el área total del otro poste: toda la superficie posterior (alrededor de 3 pulgadas cuadradas), los extremos exteriores (aproximadamente 2 pulgadas cuadradas cada uno), ambos lados (aproximadamente 3 pulgadas cuadradas cada uno) y las superficies de las dos piezas polares (sumando a 1 pulgada cuadrada). El total es alrededor de ... 14 pulgadas cuadradas, por lo que una aproximación muy aproximada a la densidad de flujo sería 1/14 de lo que espera.

Si puede leer las corrientes y los voltajes en un circuito con un cable de baja resistencia, un cable de alta resistencia más delgado y resistencias reales, puede comenzar a comprender este circuito imaginando una barra de hierro gruesa como una resistencia baja o con alta conductividad: aire o vacío. como una alta resistencia (es decir, baja conductividad).

El término real para resistencia en circuitos magnéticos es "reluctancia", y el de conductividad es "permeabilidad". El aire tiene una "permeabilidad relativa" de 1, el hierro en miles. Entonces, una barra de hierro conduce el flujo magnético miles de veces mejor que una ruta de aire de la misma longitud (hasta densidades de flujo altas, entonces se saturará).

Entonces, la densidad de flujo no se distribuye por igual alrededor del enorme polo exterior, es proporcional al área de una sección de ese polo e inversamente proporcional a la longitud del espacio de aire. Por lo tanto, será un poco más fuerte en el borde interior de las piezas polares externas donde el espacio de aire es de solo 1/2 pulgada, y un poco más débil en la superficie inferior donde el espacio de aire (desde el polo interior) es de aproximadamente 2-3 pulgadas.

El cálculo de las densidades de flujo exactas se puede hacer con cálculo para formas simples, pero ahora se usan con más frecuencia las simulaciones y el análisis de elementos finitos.

Ahora, ¿espero que hayas mantenido las laminaciones "I"? Úselos como una barra de hierro que se extiende por la parte superior de la "E". A medida que los acerque, encontrará que los espacios de aire entre E e I se reducen, y a medida que reduce el espacio, el flujo se concentrará en esos espacios, y a medida que reduce los espacios de aire, reduce la "resistencia", es decir, la reluctancia, por lo que la "corriente", es decir, el flujo aumentará drásticamente, al igual que la fuerza de atracción entre el electroimán y la barra. ¡ADVERTENCIA mantenga sus dedos fuera del camino cuando haga esto!

El flujo magnético no puede aumentar infinitamente alto, eventualmente el hierro se "saturará" a aproximadamente 1.2 Tesla.

Ahora puede ver cómo funciona el imán de herradura de Dmitry y cómo mejorarlo: doble los polos para reducir el espacio de aire. Además, mire los motores eléctricos de juguete: cómo se forman las piezas polares para que coincidan con el rotor de hierro (con la bobina enrollada en él) para concentrar el flujo en el pequeño espacio entre los polos del imán y el rotor.

EDIT: encontré una buena introducción aquí...

Preste atención a las cifras, lea las palabras después... Tenga en cuenta lo siguiente:

  • La figura 1.6 muestra la densidad de flujo relativa dentro y fuera de una bobina; incluso sin un núcleo de hierro para concentrar el flujo en el interior, puede ver cuán relativamente denso es.
  • La Figura 1.7 muestra cómo hacer un imán de herradura con un espacio de aire muy pequeño. (Tenga en cuenta que solo puede colocar objetos delgados en el espacio donde el campo es fuerte) También tenga en cuenta que han dibujado una línea de "flujo de fuga": todo el hierro expuesto irradiará algo de flujo de fuga, pero tenga en cuenta cuánto tiempo se comparan las rutas de aire con la longitud del hueco.
  • La Figura 1.10 muestra cómo esto se convierte en un motor efectivo.

Habiendo cubierto algunos de los "por qué", si realmente te estás preguntando "¿qué debo hacer al respecto?" agregue un poco de contexto sobre lo que quiere lograr a la pregunta. Ahora debería quedar claro que los circuitos magnéticos están diseñados para un propósito específico, y no sabemos nada acerca de cuál es su propósito.

No obtuve el cálculo del área de 14 pulgadas, se supone que el flujo debe salir principalmente de la superficie horizontal de 2 polos divididos e ir al polo interior. Por lo tanto, la densidad de flujo debe ser la misma en el polo interno y en el polo externo dividido (su área es la misma).
No, no se "supone" que salga de los postes divididos. Tú quieres que lo haga. Pero no es así, y es por eso que los resultados observados no coinciden con sus expectativas. A menos que... proporcione una ruta de baja reluctancia entre los polos divididos central y exterior, como las piezas en "I" que abarcan las tres piezas polares.
la herradura dimitry es peor, el espacio de aire es enorme porque no hay nada en el exterior del solenoide
Aparentemente, no ha probado la herradura: el exterior de un solenoide es bastante poco importante, el flujo allí está en una concentración baja en comparación con el flujo en su interior.
Ah, si mi representación de las líneas de campo fuera incorrecta, eso explicaría muchas cosas....
@ManudeHanoi Los imanes de herradura pueden tener un espacio arbitrariamente pequeño entre los polos. Por ejemplo, ver cabezales HDD
Dibuja algunas líneas de campo desde los polos centrales a los exteriores. Luego dibuje un poco más desde el poste central hasta CADA otra pieza de metal expuesta en el poste exterior y comenzará a ver lo que está pasando. (Cuanto más largos son, menos, ya que la renuencia es aproximadamente proporcional a la longitud de la trayectoria del aire).
Veamos eso: la longitud media del camino hacia las "alas" es quizás 5 veces la longitud del camino hacia los polos previstos; sí, eso es mucho aire. Pero el área de la superficie es quizás 13 veces el área de los polos previstos, por lo que espero que menos de la mitad del flujo vaya donde se pretende, o menos de 1/4 a cada polo exterior. Lo que coincide aproximadamente con la observación hasta donde podemos decir.
@BrianDrummond Correcto, parece ahora mismo. Quitaré mi comentario tonto entonces.
@DmitryGrigoryev Lamento que se vaya ese comentario, fue un buen punto en principio, y siempre puedo aprender también.
Hola Gracias por tus comentarios. -sobre el propósito: construir un actuador lineal, pero primero tener una idea de cómo viaja la fuerza magnética. -sobre el flujo, espero que la mayor parte del flujo esté donde el espacio de aire es más pequeño y esa es más o menos la superficie superior de las alas -sobre la herradura, la figura 1.7 del enlace en la parte inferior de la respuesta anterior ayuda Entiendo que de alguna manera la forma de la herradura también recoge el campo externo. -Haré una simulación para aclarar esto. La edición para estudiantes de Quickfield es demasiado tosca. Si sabes algo simple y gratuito, por favor házmelo saber.
Creo que probaría un sensor Hall barato y un multímetro y "olfatearía" los campos magnéticos de esa manera: mapéelos en varios lugares alrededor del transformador que tiene. Tal vez un sensor de fuerza (incluso una balanza de resorte pegada a un clavo) para ver dónde están las fuerzas más fuertes. Y aprenda la teoría básica hasta que pueda visualizar hacia dónde se dirige el flujo. Es tan básico como la Ley de Ohm e igualmente vital para la conversión de energía, pero no recibe el mismo tiempo...

Esto se debe a la geometría de su imán: un polo se concentra en el centro de la bobina, mientras que el otro se distribuye entre las alas exteriores. A menos que proporcione suficiente corriente para saturar todo el núcleo, el flujo se distribuirá de manera desigual, con un punto en el medio del polo central canalizando la mayor parte.

Si necesita tener dos polos con la misma fuerza de atracción, debe usar un electroimán en forma de U (también llamado electroimán de herradura) como este:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Seguramente, el flujo total que sale del polo central es igual al flujo total que ingresa a los dos polos exteriores Y, dado que los polos exteriores (juntos) tienen aproximadamente la misma área de sección transversal, la densidad de flujo será la misma.
@Andyaka Sí, el flujo total en el polo interno y los polos externos será el mismo. La densidad de flujo, no necesariamente. Creo que hay un punto en el medio del polo interior que canaliza el 90% del flujo, mientras que los polos exteriores no tienen esos puntos.
mi objetivo es aumentar la fuerza del imán al disminuir el espacio de aire, eso significa recolectar el flujo en el exterior del solenoide
@ManudeHanoi En realidad, disminuir el espacio de aire generalmente significa acercar los polos y no recolectar el flujo exterior, que es aproximadamente cero si el imán está diseñado correctamente. En realidad, los imanes de herradura funcionan bastante bien con espacios grandes, porque estos espacios están cerrados por objetos que son atraídos por el imán y se adhieren a ambos polos.
Y en ese sentido, este transformador es el mismo, debería atraer fuertemente un objeto de baja reluctancia que une las tres piezas polares.
Hola dimitry, puede que me equivoque, pero no puedo entender lo que dices sobre el flujo exterior, el flujo exterior debe ser el mismo que el flujo interior y correr en la dirección opuesta, entonces, ¿cómo puede ser cero?
@ManudeHanoi Quizás no entendí bien su oración sobre "recolectar el flujo en el exterior del solenoide". Me refiero al flujo exterior al núcleo. Considere los inductores toroidales que tienen casi todo el flujo dentro del núcleo: ¿a qué parte del flujo llamaría "exterior"?
@dimitri no estoy seguro de que mi visión sea relevante, pero si tomas el cable del solenoide, la línea del campo magnético es como un círculo con el cable en el centro. Un lado del círculo está en el solenoide, el otro mira hacia afuera. Debido a que el flujo es un círculo al nivel del cable, ambos lados deben tener la misma intensidad. Imaginemos una situación perfecta, el cable aislado estaría recubierto con hierro dulce, el flujo estaría al máximo y cerca del cable (bueno, bueno, eso no sería un solenoide útil).
Si ahora aumentamos el grosor de la capa aislante, la capa de hierro se alejará más del cable. Me imagino que cuanto más lejos esté el hierro del cable, menos flujo. En la herradura/toroidal, un lado del cable del solenoide está en contacto con el núcleo de hierro y el otro lado no. Entonces, básicamente, no obtienes el flujo máximo
@ManudeHanoi Sin embargo, los transformadores toroidales se citan como algunos de los más efectivos en términos de flujo de fuga, según wiki .
La fuga de @DmitryGrigoryev no es el término adecuado aquí, ahora lo entiendo. El material del núcleo actúa como una especie de amplificador de flujo magnético. Sin núcleo, todavía tenemos flujo pero de mucha menor intensidad. Ahora bien, este flujo de solenoide es la suma del flujo de cada sección de cable. Para una sección muy pequeña, el flujo es un círculo alrededor de esa sección, lo que significa que siempre hay flujo fuera de un solenoide, por eso el transformador tiene material central fuera del solenoide. No veo material del núcleo fuera de los solenoides en la herradura, y me molesta
¿Por qué el exterior de un electroimán no es magnético?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v