Катушка индуктивности - виды катушек, практические опыты

Особенности расчёта индуктивных элементов с сердечниками

В отличие от индуктивных элементов без сердечников, при расчёте которых учитывался магнитный поток пронизывающий только проводник с током, магнитный поток индуктивных элементов с сердечниками практически полностью замыкается на сердечники. Поэтому при расчёте индуктивности таких элементов необходимо учитывать размеры сердечника и материал, из которого он изготовлен, то есть его магнитную проницаемость.

Обобщённую формулу для расчёта индуктивных элементов с сердечниками можно выразит с помощью следующего выражения

где ω – количество витков катушки,

R_M – сопротивление магнитной цепи,

μ_а – абсолютная магнитная проницаемость вещества, из которого изготовлен сердечник,

S_M – площадь поперечного сечения сердечника,

l_M – длина средней магнитной силовой линии,

Таким образом, зная размеры сердечника можно достаточно просто вычислить индуктивность. Однако в связи с такой простотой выражения и разбросом магнитной проницаемости материала сердечника, погрешность в расчёте индуктивности составит 25 %.

Для сердечников, имеющих сложную конструктивную конфигурацию, вводится понятие эффективных (эквивалентных) размеров, которые учитывают особенности формы сердечников: эффективный путь магнитной линии l_e и эффективная площадь поперечного сечения S_e сердечника. Тогда индуктивность катушки с сердечником будет вычисляться по формуле

где ω – количество витков катушки,

μ – магнитная постоянная, μ = 4π*10-7,

μ_r – относительная магнитная проницаемость вещества,

S_e – эффективная площадь поперечного сечения сердечника,

l_e – эффективный путь магнитной линии сердечника.

Таким образом, расчёт индуктивности индуктивных элементов с сердечниками сводится к нахождению эффективных размеров сердечника. Для упрощения нахождения данных размеров сердечника ввели вспомогательные величины, называемые постоянные сердечников:

С₁ – первая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длины однородных по сечению участков сердечника к поперечного сечения сердечника, измеряется в мм-1;

С₂ – вторая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длин однородных по сечению участков сердечника к квадрату своего сечения, измеряется в мм-3;

где N – количество разнородных участков сердечника,

l_N – длина N – го участка сердечника,

S_N – площадь N – го участка сердечника.

Тогда величины S_e и l_e определятся из следующих выражений

Кроме индуктивности с помощью постоянных С₁ и С₂ определяют эффективный объём V_e, который требуется для определения параметоров силовых индуктивных элементов – трансформаторов и дросселей. Если же есть необходимость рассчитать только индуктивность L, то используют только постоянную С₁ по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

μ – магнитная постоянная, μ = 4π*10-7,

μ_r – относительная магнитная проницаемость вещества,

С₁ – первая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длины однородных по сечению участков сердечника к поперечного сечения сердечника.

Несмотря на довольно сложные формулировки и формулы, вычисление индуктивности по ним достаточно простое.

Выпускается достаточно много типов сердечников, которые обладают различными конструктивными особенностями и свойствами, рассмотрим некоторые из них.

Как определить паразитные параметры трансформатора?

К паразитными параметрами трансформатора, определяющие качество его работы относятся индуктивность рассеяния и емкость обмоток. При правильном расчёте и конструктивном исполнении трансформатора при частотах до сотен кГц и напряжениях в десятки вольт их влияние незначительно. Поэтому есть смысл вести расчёт только суммарных значений паразитных параметров трансформатора в целом.

Так суммарная индуктивность рассеяния трансформатора, приведённая к первичной обмотке, определяется следующим выражением

где μ – магнитная постоянная, μ = 4π * 10-7 Гн/м,

ω₁ – число витков первичной обмотки,

l_cp – средняя длина витка обмотки,

b₁ и b₂ – толщина первичной и вторичной обмоток соответственно

h_ок – высота окна магнитопровода,

с_ок – ширина окна магнитопровода,

δ₁₂ – межобмоточное расстояние. Так как данная величина по сравнению с толщиной обмоток незначительна, то её можно не учитывать в расчётах и упростить формулу.

Суммарная емкость обмоток трансформатора, приведённая к первичной обмотке можно вычислить по следующей формуле

где ω₁ и ω₂ – число витков первичной и вторичной обмотки соответственно,

V_m – объем магнитопровода в см3.

Данные выражение позволяют рассчитать паразитные параметры приблизительно, так как они зависят от различных конструктивных характеристик. Так индуктивность рассеяния зависит от толщины изоляции обмоток и обмоточного провода, а емкость – от расположения обмоточного провода на каркасе сердечника.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Особенности эксплуатации магнитодиэлектрика Ферроксон (Ferroxon)

Можно наносить пластичный Ферроксон на любые индукторы без ограничения по форме.
Для улучшения магнитопроводности на индукторах сложной формы, рекомендуется заполнить пластичным Ферроксоном щели между П-образными пластинами.
Магнитопровод приклеивается к индуктору любым термостойким клеем, лучше всего для этого подходит эпоксидная смола.
Для приклеивания так же можно использовать следующий состав: 5% оксид меди с добавлением фосфорной кислоты. Намазывать в пастообразном виде.
На длинные линейные индукторы, применяющиеся для закалки плоскостей и направляющих, к индуктору привариваются медные шпильки для крепления пластины из стеклотекстолита, прижимающих магнитопровод. К ним же крепится рама индуктора из немагнитных материалов.
Рабочая температура магнитной керамики до 180°С, поэтому требуется обеспечить максимальное прилегание магнитопровода к трубке индуктора, для эффективного охлаждения, плюс использовать теплопроводящий клей или мастику.
Магнитная керамика охлаждается самим индуктором. Как правило, при непрерывной работе в течение 30 минут, температура магнитопровода поднимается не выше 100 градусов Цельсия.
Как уже говорилось, между керамическими ферритами и индукционной катушкой не требуется изоляция.
Для обеспечения высокоэффективного нагрева требуется обеспечить зазор между магнитопроводом и деталью около 1 мм.
Нельзя резко менять температуру магнитного феррита, например, поливать после нагрева водой, он потрескается и ухудшит магнитопроводность. Поливать феррит водой для охлаждения можно, только если делать это непрерывно.
Для дополнительного охлаждения магнитопровода следует приклеить на нерабочую сторону феррита медную пластину, с приваренной медной трубкой.
Дополнительно можно охлаждать, поливая водой мокрую тряпочку, с обратной стороны от детали, не допуская попадания воды в зону нагрева.
Эффективность охлаждения повышается если уменьшить зазор между трубкой индуктора и магнитопроводом.
Ферритовые кусочки можно склеивать между собой, это лишь незначительно ухудшает его магнитопроводность.
Если на ферритовом магнитопроводе появились местные сколы и обломы уголков, его можно продолжать использовать, это мало влияет на общую работоспособность.

Внимание!

Для обеспечения интенсивного охлаждения магнитодиэлектрика Ферроксон, следите за давлением охлаждающей жидкости в индукторе, оно должно быть не менее 2–3 атм. В случае превышения температуры Ферроксона выше тучки Кюри 180°С магнитные свойства исчезают. А при дальнейшем охлаждении восстанавливаются лишь частично.
Помните, что при перегреве Ферроксона, магнитопроводные свойства теряются необратимо!

Немного истории

Благодаря английскому физику Майклу Фарадею в 1831 году человечество познакомилось с электромагнитной индукцией. Великому учёному не суждено было стать изобретателем трансформатора, поскольку в его опытах фигурировал постоянный ток. Прообразом устройства можно считать необычную индукционную катушку француза Г. Румкорфа, которая была представлена учёному миру в 1848-м.

В 1876 году русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Современному виду устройство обязано англичанам братьям Гопкинсон, а также румынами К. Циперановскому и О. Блати. С их помощью конструкция приобрела замкнутый магнитопровод и сохранила схему до наших дней.

Виды магнитопроводов

ТИПОВАЯ СХЕМА ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОПРОВОДОВ

Изготовление магнитопроводов силовых трансформаторов можно разделить на следующие основные технологические процессы: а) изготовление пластин для активной части магнитопровода, куда входит раскрой и порезка электротехнической стали, отжиг и лакировка пластин (если она необходима); б) изготовление ярмовых балок магнитопровода; їв) изготовление изоляции и изоляционных деталей, а также различного рода деталей для опрессовки магнитопровода; г) изготовление крепежных деталей и узлов прессовки; д) сборка магнитопровода; е) отделка.; ж) испытание магнитопровода. В зависимости от конструкции и габаритов магнитопровода, масштабов производства и номенклатуры технологические процессы изготовления могут иметь свои специфические особенности, значительно отличаться степенью механизации и автоматизации производства и оборудования. Наиболее важные технологические процессы изготовления магнитопроводов будут рассмотрены ниже .

Назад
Вперед

Основные преимущества и недостатки

При использовании тороидальных трансформаторов, поставляемых со свободными витыми выводами, можно добиться экономии до 64 % занимаемого объёма по сравнению с обычными трансформаторами с шихтованными сердечниками (очень часто легче подключить оборудование именно с помощью выводов из трансформатора, а не клеммников).

Тороидальный (кольцевой) сердечник имеет идеальную форму, позволяющую изготовить трансформатор, используя минимальное количество материала. Все обмотки симметрично распределены по всей окружности сердечника, благодаря чему значительно уменьшается длина обмотки.

Главные плюсы и минусы тороидальных трансформаторов.

Это ведёт к уменьшению сопротивления обмотки и повышению коэффициента полезного действия. Возможна более высокая магнитная индукция, так как магнитный ток проходит в том же направлении, в каком ориентирована кремнистая сталь ядра во время прокатки. Также можно отметить плюсы:

низкие показатели рассеивания;
меньший нагрев;
низкий вес и размер;
компактен, удобен в установке в электроаппаратуре.

Можно использовать более высокую плотность тока в проводах, так как вся поверхность тороидального сердечника позволяет эффективно охлаждать медные провода. Потери в железе очень низки – типическое значение составляет 1,1 Вт при индукции 1,7 Тл и частоте 50/60 Гц. Это обеспечивает очень низкий ток намагничивания, способствующий изумительной тепловой нагрузочной способности тороидального трансформатора.

Тороидальный трансформатор

Почему это самый популярный вид трансформаторов

Любой специалист скажет, что тороидальная форма сердечника является идеальной для трансформатора по нескольким причинам: во-первых, экономия материалов на производстве, во-вторых, обмотки равномерно заполняют весь сердечник, распределяясь по всей его поверхности, не оставляя неиспользованных мест, в-третьих, поскольку обмотки имеют меньшую длину, КПД тороидальных трансформаторов получается выше в силу меньшего сопротивления провода обмоток.

Экономия электроэнергии — еще один плюс в пользу тороидального трансформатора. Примерно на 30% больше энергии сохраняется при полной нагрузке, и примерно 80% на холостом ходу, в сравнении с шихтованными магнитопроводами иных форм. Показатель рассеяния у тороидальных трансформаторов в 5 раз меньше, чем у броневых и стержневых трансформаторов, поэтому их можно безопасно использовать с чувствительным электронным оборудованием.

Обмотка тороидального трансформатора.

Охлаждение обмоток — еще один важный фактор. Обмотки эффективно охлаждаются, будучи расположены в форме тороида, следовательно плотность тока может быть более высокой. Потери в железе при этом минимальны и ток намагничивания сильно меньше. В итоге тепловая нагрузочная способность тороидального трансформатора оказывается очень высокой.

Будет интересно Режим холостого хода для трансформаторов

При мощности тороидального трансформатора до киловатта, он настолько легок и компактен, что для монтажа достаточно применить прижимную металлическую шайбу и болт. Потребителю всего то и нужно выбрать подходящий трансформатор по току нагрузки и по первичному и вторичному напряжениям. При изготовлении трансформатора на заводе рассчитывают площадь сечения сердечника, площадь окна, диаметры проводов обмоток, – и выбирают оптимальные габариты магнитопровода с учетом допустимой индукции в нем.

Трансформатор — броневой тип

Трансформаторы броневого типа имеют разветвленный магнитопровод ( рис. 9.5) с одним стержнем и ярмами, частично прикрывающими ( бронирующими) обмотки. В трехфазных трансформаторах применяют трехстер-жневой магнитопровод. Конструкция такого магнитопровода представлена на рис. 9.6; здесь три вертикально расположенных стержня связаны между собой двумя ярмами.

Трансформаторы броневого типа соединяют параллельно как со стороны первичной, так и вторичной обмоток и располагают равномерно по периметру трубы. Такие трансформаторы называются блочными. Сварочные машины наружного типа К-584 М, К-805 оснащены блочными трансформаторами.

Трансформаторы броневого типа соединяют параллельно как со стороны первичной, так и вторичной обмоток и располагают равномерно по периметру трубы. Такие трансформаторы называют блочными. Сварочные машины наружного типа К-584 М, К-805 оснащены блочными трансформаторами.

Одноходовая винтовая обмотка ( общий вид.

Для трансформаторов броневого типа чередующиеся обмотки являются обязательными.

В трансформаторе броневого типа все обмотки располагаются на одном среднем стержне. Напряжения помех, наводимые в обмотках паразитными магнитными полями, без всякого ослабления подаются на цепь вторичной обмотки трансформатора. В трансформаторе стержневого типа обмотки располагаются на обоих стержнях сердечника, и каждая обмотка трансформатора делится на две части, одна из которых наматывается на одном стержне, а другая — на другом. Для напряжений, наводимых паразитными магнитными полями, эти половины каждой обмотки оказываются включенными навстречу друг другу, поэтому напряжения помех компенсируются.

Расположение концентрических ( а, дисковых ( б и концентрических трехслойных ( в обмоток трансформатора.

В трансформаторах броневого типа иногда применяют дисковые обмотки. По краям стержня устанавливают катушки, принадлежащие обмотке низшего напряжения. Отдельные катушки соединяют последовательно или параллельно. Ближе к стержню размещают нерегулируемую часть 4 вторичной обмотки, в середине — первичную обмотку 5 высшего напряжения и поверх нее — регулируемую часть 6 вторичной обмотки. Размещение регулируемой части этой обмотки снаружи упрощает выполнение выводов от отдельных ее витков.

Схемы устройства трансформаторов.

В трансформаторе броневого типа ( рис. 3, б) первичная и вторичная обмотки помещены на среднем стержне магнитопровода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются ( бронируются) ярмом.

В трансформаторах броневого типа широко применяются чередующиеся обмотки прямоугольной формы.

Схемы устройства трансформаторов.

В трансформаторе броневого типа ( рис. 4, б) первичная и вторичная обмотки помещены на среднем стержне магнитопровода. Таким образом, в этом трансформаторе обмотки частично охватываются ( бронируются) ярмом. Магнитный поток, пронизывающий стержень магнитопровода, разветвляется на две ч а-сти, поэтому ярмо имеет сечение вдвое меньшее сечения стержня.

Схемы устройства трансформаторов.

Конструктивные особенности

Магнитопроводы изготавливают в стыковом и шихтованном исполнениях. Конструкции различаются способом соединения сердечников с ярмами (частью стержней без обмоток).

Стыковое исполнение

Собирают части МП раздельно. На вертикальные сердечники устанавливают обмотки. Потом их скрепляют горизонтальным верхним ярмом с помощью шпилек. После этого монтируют нижнее ярмо. Удобна эта конструкция тем, что, удалив шпильки, сняв горизонтальную секцию, можно всегда сменить обмотки. Стыковая конструкция используется в шунтирующих токоограничивающих устройствах реакторов.

Шихтованные конструкции

Стержни и ярма выполнены в виде слоеных плит. Каждый пакет состоит из двух или трёх слоев стальных пластин. Соединения деталей осуществляются вхождением элементов в промежутки между слоями магнитопровода. Такой способ монтажа деталей МП называют шихтованием. Сложность формирования всей конструкции трансформатора обуславливает риск некачественной сборки прибора.

Основные виды сердечников

Стержневой сердечник сконструирован в виде буквы П и состоит из двух стержней, соединённых ярмом. При необходимости защитить обмотки от внешних воздействий используют броневые магнитопроводы. Ярмо находится с внешней части и полностью закрывает, расположенный внутри стержень с обмоткой.

Сердечники классифицируют так же по способу сборки пластин:

наборка из штампованных пластин. К преимуществам магнитопроводов из листов относят возможность их изготовление из не очень прочных материалов;
навитые металлические ленты. Такие сердечники более полно используют магнитную энергию, но при этом имеют повышенный уровень потерь. Тороидальная намотка лент самая сложная, но энергетически наиболее выгодная.

встык, когда все элементы собираются из пластин отдельно. Соединяются в единый сердечник на последнем этапе сборки трансформатора: после того, как уложены обмотки;
впереплёт. Такие магнитопроводы называют шихтованными. Они почти не имеют потерь в местах соединения.

Моделирование переходного процесса в схеме с разделительным конденсатором

Применение разделительного конденсатора в первичной обмотке силового трансформатора (рис. 5) является более эффективным методом борьбы с подмагничиванием, так как позволяет симметрировать положение частного цикла петли намагничивания магнитопровода при воздействии значительно больших несимметрий.

Рис. 5. Электрическая схема замещения силового трансформатора

Ввиду последовательного включения разделительного конденсатора с первичной обмоткой трансформатора постоянная составляющая ее тока отсутствует, то есть ток подмагничивания всегда равен нулю. Однако в этом случае образуется резонансный контур между разделительным конденсатором С_р и индуктивностью намагничивания трансформатора L_μ (рис. 5). При скачке несимметрии и возникает переходный колебательный процесс (рис. 6) на частоте

Рис. 6. Форма тока намагничивания и индукции на периоде колебаний резонансного контура между С_р и L_μ

При возникновении колебаний напряжение на первичной обмотке трансформатора превышает напряжение питания, в результате чего увеличивается рабочая индукция силового трансформатора (рис. 7а). Напряжение на разделительном конденсаторе складывается из двух составляющих (рис. 7б), первая (высокочастотная) обусловлена протеканием приведенного тока колебательного контура, расположенного на вторичной обмотке, а вторая (низкочастотная) обусловлена переходным процессом, образующимся при воздействии Ucp на колебательный контур, расположенный на первичной обмотке. Вторая составляющая определяется произведением тока подмагничивания на величину реактивного сопротивления разделительного конденсатора. Таким образом, с учетом (1)

где I_н* — приведенное значение тока вторичной обмотки, R_н* — приведенное значение сопротивления вторичной обмотки, δ = R_об1/2L_μ декремент затухания, определяющий длительность переходного процесса Т_пп.

Рис. 7. Переходной процесс индукции силового трансформатора при скачке несимметрии с Т_пп = 0

Для аналитического описания рабочей индукции магнитопровода необходимо определить напряжение на первичной обмотке трансформатора, которое складывается из напряжения питания и напряжения разделительного конденсатора. Поэтому в выражении для расчета индукции трансформатора также присутствуют две составляющие, обусловленные резонансными контурами, расположенными в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

где S_c — площадь поперечного сечения магнитопровода, δB — величина завышения индукции трансформатора.

Для исключения низкочастотных колебаний, то есть для приведения переходного процесса к апериодическому виду, необходимо, чтобы крутизна фронта возмущения (несимметрии) была больше периода колебаний (T_в = 1/f₁). Результаты моделирования, соответствующие данному условию, показаны на рис. 8, отмечено отсутствие перерегулирования рабочей индукции, ее амплитуда не превышает амплитуды в установившемся режиме.

Рис. 8. Переходной процесс индукции силового трансформатора при скачке несимметрии с Т_пп = 10 мс а) индукция силового трансформатора; б) величина несимметрии и напряжение на проходной емкости

Особенности строения сердечника трансформатора

Трансформатор служит для преобразования напряжения переменного тока. Он состоит из сердечника с двумя или несколькими обмотками. На одну из катушек подаётся переменное напряжение. Проходящий при этом через неё ток, вызывает изменение во времени магнитного потока в сердечнике.

Этот поток пронизывает все обмотки и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС. В зависимости от соотношения числа витков в катушках исходное напряжение во вторичной обмотке повышается или понижается в сравнении с поданным.

Сердечник необходим для более эффективной трансформации напряжения уменьшения потерь на рассеянии.

Сердечник трансформатора испытывает значительное воздействие переменного магнитного поля. Это приводит к возникновению вихревых токов. В результате происходит нагревание магнитопровода что приводит к потерям энергии.

Изготавливаются сердечники из стали, перемагничивание которой также приводит к бесполезному расходованию электроэнергии.

Магнетизм и электричество

Словарные определения электричества и магнетизма отличаются, хотя они являются проявлениями одной и той же силы. Когда электрические заряды движутся, они создают магнитное поле. Его изменение, в свою очередь, приводит к возникновению электрического тока.

Изобретатели используют электромагнитные силы для создания электродвигателей, генераторов, аппаратов МРТ, левитирующих игрушек, бытовой электроники и множества других бесценных устройств, без которых невозможно представить повседневную жизнь современного человека. Электромагниты неразрывно связаны с электричеством, они просто не смогут работать без внешнего источника питания.

Виды магнитопроводов

Магнитопроводы изготавливают стержневой, броневой и кольцевой конструкций.

Стержневой тип

Вертикальные сердечники ступенчатого сечения образуют с горизонтальными ярмами окружность. Обмотки расположены только на вертикальных элементах. Вся система магнитопровода устроена в виде замкнутой цепи.

Пластинчатые наборные магнитопроводы

Броневой тип

Сердечники в сечении имеют прямоугольную форму. Они занимают горизонтальное положение. Обмотки тоже выполнены в прямоугольном виде. Для того чтобы исполнить такую конфигурацию оборудования, требуется довольно сложная производственная технология. Поэтому такой тип МП используется только в специальных видах трансформаторов.

Кольцевой – тороидальный тип

Кольцевые ленточные магнитопроводы применяют в сборке силовых однофазных трансформаторов. МП изготавливают из холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0.08, 0,3 и 0,35 мм. Тороидальные сердечники изготавливают из феррита или карбонильного железа. Их широко применяют в радиоэлектронике.

Кольцевые тороидальные МП

Выводы

Unicore-магнитопроводы имеют высокие магнитопроводящие характеристики и позволяют найти необходимый компромисс между потерями в магните и временем его сборки. Сама технология предоставляет возможность заранее рассчитать время изготовления будущего изделия (в мин, с), расход стали на одно изделие (в кг) и производительность (в кг/ч) на основе стандартных расчетов программы, созданной специально для этого компанией AEM Cores. Таким образом, технология позволяет еще на этапе проектирования оптимизировать будущую продукцию по техническим характеристикам и производственным затратам.

Для сокращения времени сборки можно использовать перекрытие не в одну (DUO1) толщину ленты, а в две, три и более (соответственно DUO1, DUO2, DUO3 и т. д.). При этом для подтипа DUO2 время сборки по сравнению с DUO1 сокращается на 20%, а для DUO3 — на 40%. Для большинства типов трансформаторов оптимальным считается DUO3, где потери и время сборки оптимально сбалансированы. Исключение составляют распределительные трансформаторы, требующие применения только подтипа DUO1.