مقدمه ای بر فناوری فرستنده های مغناطیسی

فرستنده های مغناطیسی دستگاه های الکترومکانیکی هستند که میدان های مغناطیسی کنترل شده را برای کاربردهایی از انتقال توان بی سیم تا اندازه گیری فرآیندهای صنعتی تولید می کنند. این سیستم ها بر اساس اصول الکترومغناطیسی عمل می کنند و انرژی الکتریکی را به سیگنال های مغناطیسی دقیق برای ارتباط، انتقال انرژی یا اهداف حسگری تبدیل می کنند. فرستنده های مغناطیسی مدرن مواد و الکترونیک پیشرفته ای را برای دستیابی به راندمان و قابلیت اطمینان بالا در شرایط عملیاتی مختلف به کار می گیرند. آنها نقش های مهمی را در چندین صنعت از جمله سیستم های شارژ بی سیم، ابزار اندازه گیری جریان و شبکه های ارتباطی زیرزمینی ایفا می کنند. این فناوری همچنان در حال تکامل است و پیشرفت هایی در راندمان توان، مینیاتوری سازی و ادغام با پروتکل های ارتباطی دیجیتال دارد و کاربردهای جدیدی را در دستگاه های IoT، ایمپلنت های زیست پزشکی و اتوماسیون صنعتی امکان پذیر می کند.

اصول عملکرد و فناوری های اصلی

فرستنده های مغناطیسی از اصول اساسی الکترومغناطیسی برای تولید میدان های مغناطیسی کنترل شده استفاده می کنند. اکثر سیستم ها بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی هستند، جایی که جریان های الکتریکی که از سیم پیچ ها عبور می کنند، میدان های مغناطیسی متناسبی تولید می کنند. این سیستم ها را می توان بر اساس مکانیسم های عملکرد آنها دسته بندی کرد: سیم پیچ های حامل جریان، میدان های مغناطیسی را از طریق تحریک الکتریکی تولید می کنند، در حالی که فرستنده های آهنربای دائمی دوار از حرکت مکانیکی برای ایجاد میدان های مغناطیسی متغیر استفاده می کنند. فرستنده های سیم پیچ حامل جریان معمولاً میدان های تک محوری تولید می کنند که در یک محور واحد از نظر اندازه نوسان می کنند، در حالی که فرستنده های آهنربای دوار میدان های چرخشی پیچیده تری تولید می کنند که هم در جهت و هم در دامنه متفاوت هستند. فرستنده های مغناطیسی پیشرفته، مدارهای تشدید کننده را برای افزایش راندمان در فرکانس های خاص به کار می گیرند، که در آن ضریب کیفیت (Q) و ضریب کوپلینگ پارامترهای حیاتی برای عملکرد بهینه هستند. طرح های مدرن به طور فزاینده ای از مواد با نفوذپذیری بالا مانند فریت ها برای شکل دادن و هدایت میدان های مغناطیسی استفاده می کنند و راندمان کوپلینگ را بهبود می بخشند و تلفات انرژی را کاهش می دهند.

مشخصات فنی و ویژگی های عملکرد

فرستنده های مغناطیسی با چندین پارامتر عملکرد کلیدی مشخص می شوند. قدرت میدان معمولاً از سطوح میکروتسلا (µT) تا میلی تسلا (mT) متغیر است، با قدرت میدان بالاتر که امکان مسافت های انتقال طولانی تر یا تشخیص سیگنال قوی تر را فراهم می کند. فرکانس های عملیاتی از محدوده های فرکانس پایین (1-100 کیلوهرتز) برای نفوذ از طریق مواد رسانا تا فرکانس های بالاتر (محدوده مگاهرتز) برای سیستم های فشرده متفاوت است. راندمان توان یک مشخصات حیاتی است، با فرستنده های آهنربای دوار که در کاربردهای خاص با تولید میدان های مغناطیسی قوی بدون تلفات مقاومتی مرتبط با سیم پیچ های حامل جریان، مزایایی را نشان می دهند. فرستنده های مغناطیسی مدرن، الکترونیک های پیچیده ای را برای پردازش سیگنال به کار می گیرند، با رابط های دیجیتال که امکان کنترل دقیق پارامترهای میدان را فراهم می کنند. درجه بندی حفاظت تا IP66/67 عملکرد قابل اطمینان را در محیط های صنعتی خشن تضمین می کند، در حالی که محدوده دمایی وسیع (-40 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد) عملکرد را در شرایط عملیاتی مختلف حفظ می کند.

سناریوهای کاربردی کلیدی

فرستنده های مغناطیسی عملکردهای مهمی را در صنایع متعدد انجام می دهند. در سیستم های انتقال توان بی سیم، آنها انتقال انرژی بدون تماس را برای کاربردهایی از الکترونیک مصرفی تا شارژ وسایل نقلیه الکتریکی امکان پذیر می کنند. ابزار دقیق فرآیند صنعتی از فرستنده های جریان مغناطیسی برای اندازه گیری مایعات رسانا در تصفیه آب، فرآوری شیمیایی و تولید مواد غذایی استفاده می کند. این سیستم ها از قانون فارادی استفاده می کنند، جایی که مایعات رسانا که از یک میدان مغناطیسی عبور می کنند، ولتاژی متناسب با نرخ جریان تولید می کنند. سیستم های ارتباطی زیرزمینی، فرستنده های مغناطیسی را برای انتقال سیگنال قابل اعتماد از طریق خاک و سازه های سنگی پیاده سازی می کنند، جایی که فرکانس های رادیویی معمولی با تضعیف قابل توجهی مواجه می شوند. کاربردهای زیست پزشکی شامل دستگاه های قابل کاشت است که در آن فرستنده های مغناطیسی امکان انتقال توان و ارتباط داده ها را از طریق بافت فراهم می کنند. کاربردهای نوظهور همچنین شامل سیستم های موقعیت یابی صنعتی و تجهیزات تست غیر مخرب است که به تولید و تشخیص دقیق میدان مغناطیسی متکی هستند.

ملاحظات پیاده سازی و طراحی سیستم

پیاده سازی موثر فناوری فرستنده مغناطیسی مستلزم در نظر گرفتن دقیق عوامل متعدد است. بهینه سازی طراحی سیم پیچ، عواملی مانند اندوکتانس، مقاومت و خود ظرفیت را برای دستیابی به ویژگی های عملکرد هدف متعادل می کند. هسته های فریت اغلب برای افزایش چگالی شار مغناطیسی و هدایت میدان ها به سمت گیرنده های مورد نظر استفاده می شوند. ادغام سیستم باید به مسائل تداخل احتمالی، به ویژه زمانی که چندین فرستنده در مجاورت هم کار می کنند، رسیدگی کند. فرستنده های مغناطیسی مدرن به طور فزاینده ای ویژگی های هوشمندی مانند خود تشخیصی، تنظیم فرکانس تطبیقی و قابلیت های ارتباط دیجیتال (HART، PROFIBUS، EtherNet/IP) را برای ادغام یکپارچه با سیستم های کنترل به کار می گیرند. بهترین شیوه های پیاده سازی شامل محافظ مناسب برای به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی، مدیریت حرارتی برای کاربردهای پرقدرت و انطباق با استانداردهای ایمنی مربوطه برای قرار گرفتن انسان در معرض میدان های الکترومغناطیسی است.

تجزیه و تحلیل مقایسه ای با فناوری های جایگزین

فرستنده های مغناطیسی در مقایسه با فناوری های انتقال سیگنال جایگزین، مزایای متمایزی را ارائه می دهند. بر خلاف سیستم های فرکانس رادیویی، میدان های مغناطیسی به طور موثرتری به مواد رسانا نفوذ می کنند و آنها را برای کاربردهایی که شامل آب، خاک یا سازه های فلزی می شوند، مناسب می کند. در مقایسه با اتصالات سیمی سنتی، فرستنده های مغناطیسی امکان عملکرد بدون تماس را فراهم می کنند، که سایش مکانیکی را از بین می برد و کاربردهایی را امکان پذیر می کند که در آن اتصالات فیزیکی غیرعملی هستند. با این حال، سیستم های مغناطیسی معمولاً برد موثر کوتاه تری نسبت به سیستم های مبتنی بر امواج الکترومغناطیسی دارند و برای دستیابی به راندمان قابل قبول در مسافت، به طراحی دقیق نیاز دارند. انتخاب بین فرستنده های سیم پیچ حامل جریان و فرستنده های آهنربای دوار شامل مبادله بین پیچیدگی، راندمان و الزامات کاربردی است، با سیستم های آهنربای دوار که تا چهار برابر راندمان انتقال توان بالاتری را در پیکربندی های خاص نشان می دهند.

تحولات آینده و روندهای نوظهور

فناوری فرستنده مغناطیسی همچنان در امتداد چندین بردار استراتژیک در حال تکامل است. تلاش های مینیاتوری سازی بر توسعه سیستم های فشرده و کارآمد برای کاربردهای قابل حمل و کاشتنی متمرکز است. پیشرفت های راندمان، تلفات انرژی را از طریق مواد و توپولوژی های مدار پیشرفته هدف قرار می دهند، با نیمه هادی های شکاف باند وسیع که فرکانس های عملیاتی و چگالی توان بالاتری را امکان پذیر می کنند. ادغام با پلتفرم های IoT، ویژگی های هوشمندی مانند نظارت از راه دور، نگهداری پیش بینی کننده و بهینه سازی عملکرد تطبیقی را امکان پذیر می کند. علم مواد نوظهور، از جمله مواد متا با نفوذپذیری منفی، قابلیت های جدیدی را برای دستکاری و تمرکز میدان مغناطیسی نوید می دهد. این پیشرفت ها امکانات کاربردی را گسترش می دهند و در عین حال عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم های فرستنده مغناطیسی را در سناریوهای پیاده سازی مختلف بهبود می بخشند.

-Endress+Hauser

-ALLEN BRADLEY 

-YOKOGAWA 

-MTL

-P+F

-محصولات بیشتر