المحولات والمستحثات الحلقية

"حلقة الفريت" redirects here. For مرشح التداخل الكهرومغناطيسي, see خرزة الفريت.

محول كهربائي حلقي متوسط ​​القدرة ذو قلب حديدي مصفح.

محاثات حلقية صغيرة ذات قلب من الفريت.

المحولات التقليدية الملفوفة على نوى مستطيلة الشكل.

الجزء الداخلي لمصدر طاقة خطي مزود بمحول رئيسي حلقي.

المحولات والمستحثات الحلقية (Toroidal inductors and transformers)، هي محولات ومستحثات تستخدم نوى مغناطيسية ذات شكل حلقي (على شكل حلقة أو دونات). وهي مكونات هي ملفات حث ومحولات تستخدم قلبًا مغناطيسيًا حلقيًا (على شكل حلقة أو دونات). وهي مكونات إلكترونية سلبية، تتكون من نواة مغناطيسية دائرية أو على شكل دونات مصنوع من مادة مغناطيسية حديدية مثل الحديد الرقائقي، مسحوق الحديد، أو الفريت، يلتف حوله سلك.

على الرغم من أن المحاثات والمحولات ذات النوى المغلقة تستخدم عادةً نوى مستطيلة الشكل، إلا أن استخدام النوى الحلقية الشكل قد يوفر أداءً كهربائياً أفضل في بعض الأحيان. وتكمن ميزة الشكل الحلقي في أنه، بفضل تناظره، يمكن تقليل كمية التدفق المغناطيسي المتسرب خارج النواة (التدفق المتسرب)، مما قد يجعله أكثر كفاءة ويقلل من انبعاث التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

تُستخدم المحاثات والمحولات الحلقية في مجموعة واسعة من الدوائر الإلكترونية: مصادر الطاقة، العواكس، والمضخمات الإلكترونية، والتي بدورها تُستخدم في الغالبية العظمى من المعدات الكهربائية: التلفزيونات، أجهزة الراديو، وجهزة الحاسوب، ومضخمات قدرة الصوت.

 المزايا

بصفة عامة، تكون المحثات والمحولات الحلقية أكثر إحكاماً من النوى ذات الأشكال الأخرى، مما يؤدي إلى تصميم أخف وزناً بنسبة تصل إلى 50%. وينطبق هذا بشكل خاص على الأجهزة التي تعمل بالطاقة.

نظراً لأن المحث الحلقي ذو نواة مغلقة، فإنه يتميز بمستحث أعلى وعامل جودة أعلى من ملف حثي له نفس الكتلة ذو قلب مستقيم (ملفات هندسية). ويعود ذلك إلى أن معظم المجال المغناطيسي يتركز داخل النواة. في المقابل، في الملف ذي النواة المستقيمة، يقطع المجال المغناطيسي الخارج من أحد طرفي النواة مساراً طويلاً عبر الهواء للوصول إلى الطرف الآخر.

نظراً لأن اللفات قصيرة نسبياً والمجال المغناطيسي مغلق، فإن المحول الحلقي يتمتع بكفاءة وأداء كهربائي أعلى، ويقلل من تأثيرات مثل التشوه والتشوه الهامشي.

بسبب تناظر الملفات الحلقية، يتسرب القليل من التدفق المغناطيسي من النواة (تدفق التسرب). وبالتالي، فإن المحث/المحول الحلقي يقلل من التداخل الكهرومغناطيسي مع الدوائر المجاورة، وغالباً ما يتم اختياره للبيئات ذات التركيز العالي. اعتمد المصنعون ملفات حلقية في السنوات الأخيرة امتثالاً للمعايير التي تحد من كمية المجال الكهرومغناطيسي الذي يمكن للإلكترونيات الاستهلاكية إنتاجه.

 الحصر الكامل للمجال المغناطيسي B

في بعض الحالات، لا يُساهم التيار في ملفات المحث الحلقي إلا في المجال المغناطيسي B داخل الملفات، ولا يُساهم في المجال المغناطيسي B خارجها. وهذا نتيجة للتناظر وقانون أمپير الدائري.

 الشروط الكافية

الشكل 1. نظام الإحداثيات. المحور-Z هو محور التناظر الاسمي. تم اختيار المحور-X بشكل اعتباطي ليتوافق مع نقطة بداية اللف. ρ هو الاتجاه القطري. θ هو الاتجاه المحيطي.

الشكل 2. محث حلقي متناظر محورياً بدون تيار محيطي.

إن غياب التيار المحيطي (يُشار إلى مسار التيار المحيطي بالسهم الأحمر في الشكل 3 من هذا القسم) والتصميم المتناظر محورياً للموصلات والمواد المغناطيسية تُعد شروطاً كافياً للحصر الداخلي الكامل للمجال B (يفضل بعض المؤلفين استخدام المجال H). وبسبب التناظر، يجب أن تُشكّل خطوط تدفق المجال المغناطيسي دوائر ذات شدة ثابتة متمركزة على محور التناظر. خطوط تدفق المجال المغناطيسي الوحيدة التي تُحيط بأي تيار هي تلك الموجودة داخل الملف الحلقي. لذلك، ووفقاً لقانون أمبير للدائرة الكهربائية، يجب أن تكون شدة المجال المغناطيسي صفر خارج الملفات.

الشكل 3. محث حلقي وتيار محيطي.

يوضح الشكل 3 من هذا القسم الملفات الحلقية الأكثر شيوعاً. وهي لا تستوفي شرطي الحصر الكامل للمجال B. عند النظر من المحور، قد تكون الملفات داخل النواة الحديدية أو خارجها. وهي غير متناظرة محورياً في المنطقة القريبة. مع ذلك، عند نقاط تبعد عدة أضعاف المسافة بين الملفات، تبدو الملفات متناظرة. لا تزال هناك مشكلة التيار المحيطي. بغض النظر عن عدد المرات التي يطوق فيها الملف اللب وبغض النظر عن مدى رقة السلك، فإن هذا المحث الحلقي سيظل يشتمل على حلقة ملف واحدة في مستوى الملف الحلقي. سينتج هذا الملف أيضاً ويكون عرضة للمجال E في مستوى المحث.

تُظهر الأشكال من 4-6 طرقاً مختلفة لتحييد التيار المحيطي. الشكل 4 هو الأبسط، ويتميز بإمكانية إضافة سلك الإرجاع بعد شراء المحث أو تصنيعه.

الشكل 4. تيار محيطي معاكس بسلك إرجاع. السلك أبيض اللون ويمتد بين الحافة الخارجية للمحث والجزء الخارجي من الملف.

الشكل 5. التيار المحيطي يواجهه بملف إرجاع.

الشكل 6. تيار محيطي معاكس بملف إرجاع منقسم.

 المجال الكهربائي الخارجي

الشكل 7. ملف حلقي بسيط والمجال الكهربائي الناتج. بافتراض جهد إثارة ±100 ڤولت.

الشكل 8. توزيع الجهد مع ملف الإرجاع. بافتراض جهد إثارة ±100 ڤولت.

سيتوزع الجهد الكهربائي على امتداد الملف. قد يؤدي ذلك إلى توليد المجال-E في مستوى الملف الحلقي، بالإضافة إلى قابلية تولد المجال-E في مستوى الملف الحلقي، كما هو موضح في الشكل 7. يمكن التخفيف من ذلك باستخدام ملف الإرجاع، كما هو موضح في الشكل 8. في هذا الملف، عند كل نقطة تقاطع للملف مع نفسه، يكون للجزأين قطبية متساوية ومتعاكسة، مما يقلل بشكل كبير من المجال الكهربائي المتولد في المستوى.

 جهد المتجه المغناطيسي

المقالة الرئيسية: جهد المتجه المغناطيسي

إظهار تطور إمكانات النواقل المغناطيسية حول محث حلقي متماثل.

انظر فاينمان الفصل 14 و15 لمناقشة عامة حول جهد المتجه المغناطيسي. انظر فاينمان الصفحة 11-15 للإطلاق على مخطط جهد المتجه المغناطيسي حول ملف لولبي رفيع طويل والذي يُظهر أيضاً الاحتواء الداخلي الكلي للمجال B، على الأقل في الحد اللانهائي.

يكون المجال A دقيقاً عند استخدام الافتراض $bfA=0$. ويكون هذا صحيحاً في ظل الافتراضات التالية:

• 1. استخدام مقياس كولوم
• 2. استخدام مقياس لورنز ولا يوجد توزيع للشحنة، $\rho =0$
• 3. استخدام مقياس لورنز، وافتراض أن التردد يساوي صفر.
• 4. استخدام مقياس لورنز وافتراض أن التردد غير الصفري منخفض بدرجة كافية لإهمال $\frac{1}{c^2}\frac{\partial \varphi }{\partial t}$ .

يُفتراض الرقم 4 لبقية هذا القسم ويمكن إحالته إلى "الحالة شبه الساكنة".

على الرغم من أن المحث الحلقي المتناظر محورياً، والذي لا يمر به تيار محيطي، يحصر المجال B تماماً داخل امللفات، فإن المجال A (جهد المتجه المغناطيسي) لا يكون محصوراً. يشير السهم رقم 1 في الصورة إلى جهد المتجه على محور التناظر. تقع مقاطع التيار الشعاعي a وb على مسافات متساوية من المحور، لكنها تتجه في اتجاهين متعاكسين، لذا فهي تلغي بعضها بعضاً. وبالمثل، تلغي القطعتان c وd بعضها بعضاً. جميع مقاطع التيار الشعاعي تلغي بعضها بعضاً. أما بالنسبة للتيارات المحورية، فالوضع مختلف. يتجه التيار المحوري على السطح الخارجي للحلقة إلى الأسفل، بينما يتجه التيار المحوري على السطح الداخلي إلى الأعلى. يمكن مطابقة كل مقطع تيار محوري على السطح الخارجي للحلقة مع مقطع مماثل له في المقدار ومعاكس له في الاتجاه على السطح الداخلي. تكون المقاطع الداخلية أقرب إلى المحور من المقاطع الخارجية، وبالتالي يوجد مركب صافٍ للمجال Aمتجهاً إلى أعلى على امتداد محور التناظر.

يمثل الشكل مجالات جهد المتجه المغناطيسي (A) والتدفق المغناطيسي (B) وكثافة التيار (j) حول محث حلقي ذي مقطع عرضي دائري. تشير الخطوط السميكة إلى خطوط المجال ذات الشدة المتوسطة الأعلى. تمثل الدوائر في المقطع العرضي للنواة التدفق المغناطيسي الخارج من الشكل. تمثل علامات الجمع في المقطع العرضي الآخر للنواة التدفق المغناطيسي الداخل إلى الشكل. أُفترض أن Div A = 0.

بما أن المعادلتين $\mathrm{\nabla }\times \mathbf{A}=\mathbf{B}$ و $\mathrm{\nabla }\times \mathbf{B}={\mu }_0\mathbf{j}$ (بافتراض ظروف شبه ساكنة، أي $\frac{\partial E}{\partial t}\to 0$) لهما نفس الشكل، فإن خطوط ومحيطات A ترتبط بـ B كما ترتبط خطوط ومحيطات B بـ j. وبالتالي، فإن تصوير المجال A حول حلقة من التدفق B (كما هو الحال في محث حلقي) هو نفسه نوعياً تصوير المجال B حول حلقة من التيار. الشكل على اليسار هو رسم توضيحي للمجال "أ" حول محث حلقي. تشير الخطوط السميكة إلى مسارات ذات شدة متوسطة أعلى (المسارات الأقصر ذات شدة أعلى بحيث يكون تكامل المسار متساوياً). رُسمت الخطوط فقط لتحسين المظهر العام للمجال "أ".

 فعل المحول

يمكن حساب المجالين E و B من المجالين A و $\varphi$ (الجهد الكهربائي القياسي):$\mathbf{B}=\mathrm{\nabla }\times \mathbf{A}.$ و:$\mathbf{E}=-\mathrm{\nabla }\varphi -\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t}$ وبالتالي حتى لو كانت المنطقة خارج الملفات خالية من المجال B، فإنها مليئة بالمجال E غير الصفري.

الكمية $\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t}$ مسؤولة عن اقتران المجال المغناطيسي المرغوب بين الملفين الابتدائي والثانوي، بينما الكمية $\mathrm{\nabla }\varphi$ مسؤولة عن اقتران المجال الكهربائي غير المرغوب بين الملفين الابتدائي والثانوي. يسعى مصممو المحولات إلى تقليل اقتران المجال الكهربائي. في بقية هذا القسم، سيُفترض أن <$\mathrm{\nabla }\varphi$ تساوي صفراً ما لم يُنص على خلاف ذلك.

تُطبق مبرهنة ستوكس بحيث يكون تكامل المسار للمجال A مساوياً لتدفق B المحصور، تماماً كما أن تكامل المسار للحقل B يساوي ثابتاً مضروباً في التيار المحصور

يعطي تكامل المسار للمجال E على طول الملف الثانوي القوة الدافعة الكهربائية المستحثة للملف الثانوي.

$\mathbf{E}\mathbf{M}\mathbf{F}={\oint }_{path}\mathbf{E}\cdot \mathrm{d}l=-{\oint }_{path}\frac{\partial \mathbf{A}}{\partial t}\cdot \mathrm{d}l=-\frac{\partial }{\partial t}{\oint }_{path}\mathbf{A}\cdot \mathrm{d}l=-\frac{\partial }{\partial t}{\int }_{surface}\mathbf{B}\cdot \mathrm{d}s$

يعني هذا أن القوة الدافعة الكهربائية تساوي معدل تغير التدفق B المحصور داخل الملف، وهي النتيجة المعتادة.

 تعشيق متجه پوينتنگ

في هذا الشكل، تشير النقاط الزرقاء إلى المكان الذي يخرج منه التدفق B من التيار الأساسي، وتشير علامات الجمع إلى المكان الذي يدخل منه إلى الصورة.

يوضح هذا الشكل نصف مقطع محول حلقي. بافتراض ظروف شبه ساكنة، فإن طور كل مجال يكون متطابقاً في جميع أجزائه. يتوزع المحول وملفاته وجميع مكوناته بشكل متناظر حول محور التناظر. صُممت الملفات بحيث لا يوجد تيار محيطي. تتحقق بذلك متطلبات الحصر الداخلي الكامل للمجال B بفعل التيار الابتدائي. يُمثل القلب والملف الابتدائي بالحلقة الرمادية البنية. لم يُظهر الشكل الملف الابتدائي، ولكن التيار فيه عند سطح المقطع العرضي مُوضح بأشكال بيضاوية ذهبية (أو برتقالية). ينحصر المجال B الناتج عن التيار الابتدائي في المنطقة المحصورة داخل الملف الابتدائي (أي النواة الحديدية). تشير النقاط الزرقاء على المقطع العرضي الأيسر إلى أن خطوط التدفق B في النواة الحديدية تخرج من هذا المقطع. أما على المقطع العرضي الآخر، فتشير علامات الجمع الزرقاء إلى أن التدفق B يدخل من هذا المقطع. ويُظهر الشكل البيضاوي الأخضر المجال E الناتج عن التيارات الابتدائية. ويُظهر الشكل الخط البني الممتد مباشرةً على محور التناظر الملف الثانوي. في الممارسة القياسية، يُوصل طرفي الملف الثانوي بسلك طويل يبقى بعيداً عن الحلقة، لكن للحفاظ على التناظر المحوري المطلق، يُتصور الجهاز بأكمله داخل كرة موصلة تماماً، مع تأريض سلك الملف الثانوي إلى داخل الكرة من كل طرف. يتكون الملف الثانوي من سلك مقاوم، لذا لا يوجد حمل منفصل. يتسبب المجال E على طول الملف الثانوي في مرور تيار فيه (الأسهم الصفراء)، مما يُولد المجال B حوله (موضح بأشكال بيضاوية زرقاء). يملأ هذا المجال B الفراغ، بما في ذلك داخل قلب المحول، لذا في النهاية، يوجد مجال B مستمر غير صفري من الملف الابتدائي إلى الملف الثانوي، إذا لم يكن الملف الثانوي مفتوح الدائرة. يشكل حاصل الضرب الاتجاهي للمجال E (الناتج عن التيارات الأولية) والمجال B (الناتج عن التيارات الثانوية) متجه پوينتنگ، والذي يشير من الابتدائي نحو الثانوي.

 التطبيقات

 توليد الكهرباء

مراحل التجارب الصينية لتوليد الكهرباء من الاندماج النووي، والتي بدأت من عام 2023 حتى التوليد المفترض في 2030.

في يوليو 2026 أعلنت الصين عزمها توليد أول كهرباء من الاندماج النووي عام 2023 - بعد أن اجتاز مغناطيسين حلقيين يزن كل منهما 582 طناً، وهما أكبر مغناطيسات فائقة التوصيل تم بناؤها على الإطلاق لجهاز اندماج، اختبارات الحمل الكامل في يوليو 2026. قبل هذا التاريخ يوجد مشروعان لتوليد الطاقة الكهربائية من الاندماج النووي: الأول عام 2003، مفاعل توكاماك في خفي، حامل الرقم القياسي العالمي للحفاظ على پلازما بدرجة حرارة 100 مليون درجة لمدة 1066 ثانية، والثاني عام 2019، مفاعل توكاماك HL-3 في چنگدو، الذي دفع النوى الذرية إلى 117 مليون درجة مئوية- أي ما يقرب من ثمانية أضعاف درجة حرارة لب الشمس. يُعرف الجهاز الذي ينتمي إليه هذان المغناطيسيان العملاقان باسم BEST، وهو جهاز توكاماك تجريبي فائق التوصيل يعمل بالپلازما المحترقة، ويجري بناؤه حالياً في مدينة خفي. يُعد هذا الجهاز صغير الحجم وعالي المجال المغناطيسي، وقد تم تركيب قاعدته في أكتوبر 2025. اجتازت مغناطيساته العملاقة اختبارات التحميل الكامل، ومن المقرر الانتهاء من بنائه بنهاية عام 2027. مهمة BEST هي المهمة التي لم ينجزها أي جهاز اندماج نووي على وجه الأرض حتى الآن.

عرضٌ عملي لتوليد الطاقة الاندماجية. الحصول على طاقة من الپلازما المحترقة تفوق الطاقة المُدخلة. إدارة دورة وقود التريتيوم في الوقت الفعلي. وإنتاج أول كهرباء مُولّدة بالاندماج في الصين. وقد أصبح الاندماج النووي الآن سياسة رسمية للدولة. أُدرج الاندماج النووي القابل للتحكم ضمن المشاريع الرئيسية للخطة الخمسية الخامسة عشرة للصين، والتي تغطي الفترة 2026-2030.

تنص خارطة الطريق التي وضعها كبير العلماء في المؤسسة الوطنية النووية الصينية على إجراء أول تجربة لإشعال الاندماج بحلول عام 2027 تقريباً. والقدرة على التصميم الكامل لمفاعل اختبار هندسي بحلول عام 2030 تقريبًاً. ويُبنى هذا المفاعل حوالي عام 2035. ومفاعل تجريبي بحلول عام 2045. وتغذية الكهرباء الاندماجية لشبكة الصين بحلول منتصف القرن.

التوصيل الفائق المتقدم التجريبي توكاماك EAST هو مشروع اندماج نووي ضخم يضم 35 دولة، يقع في جنوب فرنسا. ويجري تصنيع مكوناته الرئيسية. يعمل كل من EAST وHL3 كمنصات اختبار فيزيائية لمشروع المفاعل النووي الحراري التجريبي الدولي ITER الذي سيُجرى بكامل طاقته. يكمن التحدي الحقيقي في تحقيق صافي طاقة، يجب أن يُولّد المفاعل طاقة من تفاعل الاندماج أكبر من طاقة التسخين الخارجية المُدخلة إلى الپلازما. لم يُنتج أي مفاعل، لا في الصين ولا في أي مكان آخر، صافي طاقة، ناهيك عن صافي كهرباء.

حققت مفاعلات أخرى، مثل منشأة الإشعال الوطنية في الولايات المتحدة، طاقة صافية علمية باستخدام تقنية الحصر بالقصور الذاتي المدفوعة بالليزر. وقد تم التحكم في درجة الحرارة والمدة والكثافة كلٌ على حدة. يحتاج تشغيل محطة الطاقة إلى توفير جميع هذه العناصر في آن واحد، وبشكل مستدام ليس لدقائق، بل لأشهر.

 المصادر

• Feynman, Richard P; Leighton, Robert B; Sands, Matthew (1964), The Feynman Lectures on Physics Volume 2, Addison-Wesley, ISBN 0-201-02117-X, https://feynmanlectures.caltech.edu/II_toc.html 
• Griffiths, David (1989), Introduction to Electrodynamics, Prentice-Hall, ISBN 0-13-481367-7, https://archive.org/details/introductiontoel00grif 
• Halliday; Resnick (1962), Physics, part two, John Wiley & Sons 
• Hayt, William (1989), Engineering Electromagnetics (5th ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-027406-1, https://archive.org/details/engineeringelect5thhayt 
• Purcell, Edward M. (1965), Electricity and Magnetism, Berkeley Physics Course, II, McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-004859-1, https://archive.org/details/electricitymagne00purc 
• Reitz, John R.; Milford, Frederick J.; Christy, Robert W. (1993), Foundations of Electromagnetic Theory, Addison-Wesley, ISBN 0-201-52624-7 

 وصلات خارجية

• Inductor and Transformer Design Guides - Magnetics
• Approximate inductance of a toroid includes formula, but assumes circular windings
• Design Considerations of Toroid Transformers Industrial study material: Ferrite Toroid Transformers Design
• Toroid winding machine.