Катушка с сердечником – Катушка индуктивности — Википедия

Катушка индуктивности — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Катушка (значения).
Катушка индуктивности (дроссель) на материнской плате компьютера
Обозначение на электрических принципиальных схемах

Кату́шка индукти́вности (иногда дроссель) — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока наблюдается её значительная инерционность.

Применяются для подавления помех, сглаживания биений, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотно-избирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания

ru.wikipedia.org

катушка с сердечником

КАТУШКА С
ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

— реактивное
сопротивление катушки индуктивности

— циклическая
частота

— индуктивность

— поток рассеяния

— основной магнитный
поток

большую
часть пути проходит по воздуху, поэтому
можно считать, что он пропорционален
току катушки и совпадает с ним по фазе

создает
— ЭДС рассеяния

— индуктивность,
обусловленная потоком рассеяния.

— учитывается, как
падение напряжение на реактивном
сопротивлении рассеяния

— падение напряжения
на реактивном сопротивлении

Составим уравнение
2-го закона Кирхгофа для катушки с
магнитным сердечником

ПОТЕРИ В КАТУШКЕ
С МАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

В реальных условиях
в насыщенном магнито-проводе возникают
потери мощности на перемагничивание
(гистерезис). Кроме этого, магнитный
поток наводит ЭДС не только в обмотке,
но и в сердечнике, в результате чего
возникают вихревые токи, которые
ослабляют основное магнитное поле,
одновременно разогревая сердечник.
Возникают потери на вихревые токи.

Для уменьшения
нагрева сердечник набирают из отдельных
листов электротехнической стали,
изолируя их лаком.

полные потери –
потери меди (провода обмотки) плюс потери
стали (вихревые токи в сердечнике и
гистерезис)

— потери мощности
в проводах

— потери на гистерезис

— потери на вихревые
токи

Где
— частота питающей сети (Гц)

— магнитная индукция
(Тл)

— объем металла
магнито-провода

— коэффициент,
зависящий от свойств ферромагнетика и
формы сечения листов стали.

— ЭДС катушки без
сердечника

— ЭДС для катушки
с сердечником

W
– число витков

ЭДС самоиндукции,
создаваемая каким-либо потоком, отстает
от него на 90о

Зависимость между
напряженностью поля катушки и магнитной
индукцией в сердечнике изображается
кривой, которая называется петлёй
гистерезиса. А так как магнитная индукция
пропорциональна магнитному потоку, а
напряженность пропорциональна току,
петля гистерезиса будет являться и
зависимостью между током в обмотке и
магнитным потоком в сердечнике.

По второму графику
можем определить значение магнитного
потока в любой момент времени и по нему
из первого графика найти соответствующее
этому времени значение тока.

Через нулевые
значения ток проходит раньше, чем
магнитный поток. В этом и заключается
сущность магнитного гистерезиса.

ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА

Построение векторной
диаграммы идет на основании уравнения
электрического состояния катушки с
магнитным сердечником. Напряжения и
ЭДС в этом выражении синусоидальны.
Несинусоидальный ток изобразить вектором
нельзя. Его заменяют эквивалентной
синусоидой. Эквивалентный синусоидальный
ток опережает магнитный поток на угол
.
Построение векторной диаграммы начинается
с построения вектора магнитного потока

Разложим вектор
тока на две составляющих. Реактивная
составляющая отстает от –Е на 90о
и, как всякий
реактивный ток, создает реактивную
мощность

(Вт)

(Вар)

И этот ток совпадает
с магнитным потоком, а значит на создание
магнитного потока идет реактивная
мощность, поэтому реактивная составляющая
тока называется намагничивающей.

Активная составляющая
тока по фазе совпадает с –Е, она создает
активную мощность, которая расходуется
на нагрев сердечника вследствие явлений
гистерезиса и вихревых оков. Чем больше
,
тем больше активная составляющая тока,
тем больше потери в стали, поэтому уголназывается углом магнитных потерь.

studfiles.net

2. Основные элементы катушек индуктивности

Каркасы и
обмотки.

Каркас служит для размещения на нем
обмотки и соединения всех деталей
катушки в единое целое. Каркасы катушек
отличаются большим разнообразием.
Наибольшее распространение получили
трубчатые, стержневые (кадр 2),
ребристые и торроидальные каркасы,
изготовленные из керамики или других
изоляционных материалов.

Применение
ребристых каркасов (кадр 8)
позволяет снизить диэлектрические
потери в катушке, уменьшить ее собственную
емкость в связи с уменьшением площади
соприкосновения между каркасом и
обмоткой, улучшить условия охлаждения
катушки и благодаря насечкам на ребрах
каркаса повысить жесткость обмотки.

Нередко обмотка
катушки наматывается на основание из
магнитодиэлектриков или ферритов,
которое одновременно выполняет функции
каркаса и сердечника.

В контурах
ультракоротковолновых радиопередатчиков
средней и большой мощности используются
катушки с толстым проводом (кадр 7).
В этом случае необходимость в каркасе
отпадает. Такая катушка имеет высокую
добротность Q,
малую емкость CL
и ее закрепление к изоляционным деталям
конструкции передатчика осуществляется
лишь в нескольких точках.

Обмотки катушек
могут быть однослойными и многослойными
(кадр 2, 3).

Однослойные
обмотки применяются в катушках
коротковолнового и ультракоротковолнового
диапазонов (частоты
3…300 МГц
).
Такие катушки имеют повышенное значение
добротности и небольшую собственную
емкость.

На более низких
частотах применяются многослойные
обмотки. Катушки с простыми многослойными
обмотками (рядовой
и «в навал»
)
из-за большой емкости и низкой добротности
могут использоваться лишь в корректирующих
цепях, где эти недостатки не играют
существенной роли. Простые обмотки
могут быть использованы при изготовлении
дросселей. В этом случае часто прибегают

Для уменьшения
величины CL
применяют специальные типы обмоток:
секционированную и «универсаль»
(кадр 3).
При секционировании катушки, ее емкость
CL
уменьшается,
за счет последовательного соединения
емкостей отдельных секций, число которых
обычно составляет 2…6.
Катушки обмоткой «универсаль» имеют
малую CL
из-за малой площади «контакта» между
соседними витками. Основное применение
такие катушки нахо­дят в качестве
дросселей высокой частоты, а также в
качестве контурных катушек средневолнового
и длинноволнового диапазонов.

Обмоточный
провод
.
Благодаря своим высоким электрическим
свойствам наибольшее применение в
качестве провода обмотки катушек получил
изолированный медный провод круглого
сечения.

На частотах до
МГц
для наилучшего использования сечения
провода обмотки, как говорилось выше,
может применяться «литцендрат»
Но в любом сечении литцендрата всегда
имеется некоторое напряже­ние между
отдельными проводами вследствие их
различного положения в сечении и
различного сопротивления. При возрастании
частоты эти различия будут еще более
заметными и приведут к дальнейшему
увеличению напряжения между проводниками
и росту потерь в их изоляции. Поэтому
преимущества литцендрата по срав­нению
со сплошным проводом на частотах выше
МГц
практически теряются.

На частотах выше
МГц
при небольшой плотности тока вы­годно
применять обмотку из плоского (ленточного)
проводника, что повышает ее жесткость.
Глубина проникновения тока в проводник
на этих частотах незначительна, поэтому
толщина проводника может быть небольшой.
В качестве проводников используются
также металли­ческие слои (серебряные,
медные), полученные методом химического
осаждения металла или методом его
вжигания в керамический каркас с
последующим усилением слоя путем
гальванизации.

При повышении
плотности тока в обмотках высокодобротных
катушек, особенно на частотах 50…500 МГц,
применяется посеребренный круглый
медный провод без изоляции. В обмотках
катушек выходных контуров мощных
радиопередатчиков плотность тока
достигает значительных величин, а
поэтому возникает не­обходимость в
отводе тепла от катушек. Проводники
обмотки в этом случае выполняются
трубчатыми, и через них пропускается
охла­ждающая жидкость (например,
вода).

Сердечники.
Сердечники, применяемые в катушках
индуктивности, могут быть магнитными
и немагнитными.

Применение
сердечника из магнитодиэлектриков или
ферритов позволяет уменьшить геометрические
размеры катушек при реализации заданной
величины индуктивности, так как такой
сердечник концентрирует магнитное
поле, и в некотором диапазоне частот
повышает добротность катушек. Используя
сердечник, который перемещается внутри
каркаса, можно изменять индуктивность
катушки.

На частотах до
30 МГц применяются катушки с
цилиндрическими, броневыми и кольцевыми
(тороидальными) магнитными сердечниками
Конфигурация сердечника выбирается в
зависимости от конкретных требований,
предъявляемых к катушке (габариты,
добротность, температурная стабильность
и т.д.).

Индуктивность
катушки с сердечником СЕРД m СЕРД  L,
где L.
— индуктивность катушки без сердечника,
m СЕРД  
— действующая магнитная проницаемость
сердечника. Величина m СЕРД  
зависит
от магнитной проницаемости материала
сердечника m,
разме­ров катушки и сердечника, их
конструкции и частоты тока в обмотке
катушки. Чем больше m,
чем ближе к виткам катушки расположен
сердечник, и чем ниже частота тока в
обмотке, тем выше значение m СЕРД,
которое для каждой конкретной конструкции
катушки определяется экспериментально.

Цилиндрические
сердечники

применяются на частотах до 100 МГц.
Катушки с такими сердечниками могут
иметь добротность до 500.
Цилиндрические резьбовые сердечники
могут использоваться как подстроечники
для изменения индуктивности катушек
на 10…15 %.
Их введение практически не влияет на
величину собственной емкости катушки.
При использовании цилиндрических
сердечников магнитопровод не замкнут,
что не позволяет в полной мере использовать
свойства магнитные материалов, т.е. для
них величина m СЕРД  
сравнительно
невелика.

Броневые
сердечники

позволяют более полно использовать
магнитные свойства материалов. Катушки
с такими сердечниками имеют слабое
внешнее поле, что позволяет при
необходимости экранирования катушки
приблизить экран вплотную к сердечнику.
Величина m СЕРД  
в броневых сердечниках с замкнутым
магнитопроводом выше, чем в сердечниках
с разомкнутым магнитопроводом. При
разомкнутом магнитопроводе удается
получить большее значение добротности
катушки и меньшую зависимость ее
параметров от частоты и напряженности
поля, чем при замкнутом.

Индуктивность
катушек с броневыми сердечниками с
помощью цилиндрического подстроечника
может изменяться до 20 %,
однако такие катушки имеют повышенное
значение собственной емкости (до
десятков пикофарад при многослойной
обмотке).

Катушки с
кольцевыми (тороидальными) сердечниками

могут работать на частоте до 10 МГц
(и выше). В них наиболее полно используются
магнитные свойства материала сердечника,
т.е. для них m СЕРД  = m.
  Кольцевые
сердечники применяются в тех случаях,
когда необходимо получить максимальную
индуктивность и высокую добротность
катушки при минимальных ее габаритах
и когда необходимо обеспечить почти
полное отсутствие внешнего магнитного
поля вокруг катушки. К недостаткам
катушек с кольцевыми сердечниками
относятся сложность намотки, относительно
большой ТКИ, невозможность плавного
изменения индуктивности, т.е. невозможность
подстройки.

Введение в катушку
магнитного сердечника, казалось бы,
должно увеличить ее добротность QC
в m СЕРД  раз
по сравнению с добротностью той же
катушки Q
без сердечника. Однако из-за наличия
потерь в сердечнике, изменение добротности
катушки с сердечником при увеличении
частоты тока в ее обмотке получа­ется
более значительным, чем катушки без
сердечника. С ростом частоты добротности
QC
и Q
вначале возрастают, так как индуктивное
сопротивление катушки растет быстрее,
чем увеличиваются в ней потери. При
дальнейшем увеличении частоты потери,
особенно вносимые сердечником, резко
возрастают, проницаемость m СЕРД  
падает (при весьма вы­соких частотах
m СЕРД  ® 1)
и до­бротности QC
и Q
(особенно
QC)
после перехода через максимум начинают
уменьша­ться.

Частота ГР Q
, при которой QC
= Q,
называется
граничной

частотой
катушки по добротности
.
На частотах f >
ГР Q
сердечники
становятся неэффективными.

Для изменения
индуктивности

однослойных катушек в диапазоне метровых
волн применяют сердечник в виде диска,
цилиндра или кольца из немагнитного
проводящего материала (обычно из
алюминия). Такой сердечник можно
рассматривать как короткозамкнутый
виток, обладающий магнитной связью с
катушкой. Он «отбирает» энергию
из катушки, т.е. вносит в нее дополнительное
активное и реактивное сопротивление.
Введение немагнитного сердечника
уменьшает индуктивность и добротность
катушки тем в большей степени, чем больше
объем сердечника.

На (кадре
8)
показана
одна из возможных конструкций однослойной
катушки для метрового диапазона волн
с алюминиевым дисковым сердечником.
Введение в катушку такого сердечника
уменьшает ее индуктивность на 5…7 %,
а добротность — в 2…5
раза. Потери, вносимые сердечником из
немагнитного металла, будут тем выше,
чем больше удельное электрическое
сопротивление материала сердечника.
Такие катушки, в частности, применяются
в широкополосных усилителях метрового
диапазона, где требуются катушки с
невысокой добротностью, так как полоса
пропускания колебательного контура
2 D f
связана с его добротностью Q
известной зависимостью Q f0 /2 D f,
где f0
— резонансная частота контура.

???????????????????
Далее
???????????????????????????????????

Катушки с
переменной индуктивностью. Вариометры
.
В выходных и антенных контурах
радиопередатчиков, в измерительной
аппаратуре применяются катушки,
индуктивность которых в процессе
эксплуата­ции может изменяться в
широких пределах. Такие катушки называются
вариометрами.
Их применение для перестройки колебательных
контуров вместо конденсаторов переменной
емкости часто является более
предпочтительным, так как индуктив­ность
вариометра меньше изменяется при
воздействии влажности и вибраций, чем
емкость переменного конденсатора с
воздушным диэлектриком.

Схематическое
изображение некоторых вариометров
показано на
рис.2.3.7. Индуктивность шарового вариометра
зависит от взаимного
положения двух его катушек — неподвижной
(статорной) и подвижной (роторной),
которая располагается внутри неподвижной
и может поворачиваться оператором
вокруг своей оси. Катушки между собой
соединены последовательно.

Если направления
магнитных полей двух катушек (статорной
и роторной) совпадают, то их общая
индуктивность будет мак­симальной:

LMAX = LР LС + ,
(2.3.2)

где  LР 
и  LС 
индуктивности ротора и статора; М
— взаимная индуктивность ротора и
статора.

При повороте
ротора на 180° поля катушек будут
направле­ны встречно и индуктивность
вариометра станет минимальной:

LMIN = LР LС  — . (2.3.3)

Использовав
формулы (2.3.2) и (2.3.3), введем понятие
коэффициента перекрытия вариометра по
индуктивности

KL
LMAX
LMIN  = (LР LС + ) / ( LР LС  — 
)
(2
.3.4)

Учтя, что М=
К
(LР  LС) 1/2 ,
 где
К
— коэффициент связи между рото­ром и
статором, и положив  LР LС  перепишем
формулу (2.3.4) в виде

KL
(
1К) / ( 1— К
)
.

Теоретически
коэффициент KL,
может быть сколь угодно большим, однако
на практике KL 10.
Для его повышения, ротор шарового
вариометра часто выполняют на ферритовом
сердечнике или производят коммутацию
обмоток ротора и статора с последовательного
соединения на параллельное. При этом
максимальное значение индуктивности
вариометра достигается при последовательном
и согласном, а минимальное — при
параллельном и встречном соединении
обмоток ротора и статора. Шаровая
конструкция вариометра обеспечивает
почти линейный закон изменения частоты
контура, в который он включен, от угла
поворота ротора.

Один из выводов
изображенного на рис.2.3.7б цилиндрического
вариометра выполнен в виде подвижного
роликового контакта, который может
перемещаться вдоль обмотки. Наличие
подвижного контакта — недостаток данного
вариометра. Неработающая часть обмотки
может оставаться разомкнутой или
замыкать­ся накоротко. В последнем
случае возрастают потери в вариометре,
однако увеличивается его коэффициент
перекрытия.

studfiles.net

Катушка с ферромагнитным сердечником.

Для
увеличения индуктивности катушек их
наматывают на замкнутые сердечники из
ферромагнитного материала. В устройствах
работающих на низких частотах для
сердечников используют электротехническую
сталь. При высоких частотах используются
сердечники из спрессованного
ферромагнитного порошка. Но независимо
от конструкции и материала все катушки
с ферромагнитным сердечником

обладают рядом свойств и особенностей,
которые мы рассмотрим. Для краткости в
дальнейшем мы будем называть их просто
катушками.

В
основном катушки имеют конструкцию,
показанную на рис. 1. На замкнутый
сердечник из ферромагнитного материала
различной формы и размеров наматываются
проводники, по которым протекает
переменный ток.

Протекающий
ток создает вокруг катушки переменный
магнитный поток, большая часть которого
вследствие высокой магнитной проницаемости
ферромагнетика замыкается по материалу
Ф0.
Существенно меньшая часть магнитного
потока охватывает витки катушки,
замыкаясь по воздуху, и образует т.н.
поток рассеяния Фs.
Основной поток и поток рассеяния
отличаются друг от друга не только
количественно, но и принципиально. Поток
рассеяния

замыкается по среде, магнитная
проницаемость которой не зависит от
напряженности магнитного поля. Поэтому
его величина линейно связана с величиной
тока катушки. Основной
поток

замыкается по ферромагнетику, обладающему
сильно выраженной нелинейной зависимостью
магнитной проницаемости от напряженности
поля и неоднозначной связью между ними.
Все это делает невозможным общий точный
анализ процессов в катушке и требует
принятия допущений, позволяющих
рассматривать катушку как объект с
линейными характеристиками.

Переменный
магнитный поток, пронизывающий материал
сердечника, вызывает появление в массе
материала ЭДС индукции. Так как все
ферромагнетики относятся к проводникам,
то под действием этой ЭДС в сердечнике
возникают электрические токи ( iF
рис. 2), протекающие по замкнутым контурам,
расположенным в плоскостях перпендикулярных
направлению магнитного потока, и
называемые вихревыми
токами или токами Фуко
.

Вихревые
токи

создают свой магнитный поток, стремящийся,
в соответствии с правилом Ленца, ослабить
изменение основного потока. Поэтому
они действуют
размагничивающим образом
,
уменьшая основной поток.

Размагничивающее
действие вихревых токов неодинаково в
различных частях сердечника. Наиболее
сильно оно выражено в центре сечения
(рис. 2), т.к. центральные части охватываются
максимальным числом контуров тока, МДС
которых и создают размагничивающий
поток. Поэтому в центре сечения плотность
основного магнитного потока будет
меньше, чем на краях, т.е. происходит
вытеснение
основного магнитного потока в наружные
слои магнитопровода
.
Это явление выражено тем резче, чем выше
частота магнитного потока и больше
сечение, магнитная проницаемость и
удельная проводимость материала
сердечника.

Протекающий
по материалу сердечника электрический
ток вызывает его нагрев. Если это тепло
не используется, то говорят о потерях
на вихревые токи
.
В соответствии с законом Джоуля-Ленца,
мощность расходуемая на нагрев равна
IF2r,
где IF
— действующее значение вихревых токов,
а r
— сопротивление контура, по которому
они замыкаются. Очевиднно, что эффективно
снизить эти потери можно уменьшив ток.
Это
достигается увеличением удельного
сопротивления материала и разделением
его на отдельные изолированные друг от
друга слои вдоль линий магнитного потока

(рис. 2). Такое разделение на слои называется
шихтованием
магнитопровода.

Потери
на вихревые токи можно определить,
воспользовавшись понятием активной
мощности переменного тока.

Пусть
магнитопровод имеет форму параллелепипеда
с длиной l,
высотой h
и толщиной d
(рис. 3) и магнитный поток распространяется
в направлении l.
В плоскости перпендикулярной направлению
вектора индукции B
выделим элементарный замкнутый контур
толщиной dx,
стороны которого отстоят на расстоянии
x
от оси симметрии плоскости.

Если
h
>> d,
то магнитный поток через поверхность,
определяемую координатой x,
будет Фx
= 2xhB,
а ЭДС, наводимая этим потоком в контуре
dx
Ex
= 4kf
fФx
max = 8kf
fhxBm2,
где kf
— коэффициент формы ЭДС. Сопротивление
контура dx
, при условии, что сопротивлением меньших
сторон (вдоль d)
можно пренебречь, равно
,
где g — удельная проводимость материала
магнитопровода. Тогда активная мощность,
преобразуемая в тепло вихревыми токамиPF
, будет

(1)

Из
выражения (1) следует, что потери на
вихревые токи очень сильно (во второй
степени) зависят от

  • толщины листа
    магнитопровода d;

  • частоты переменного
    тока f;

  • амплитуды индукции
    (плотности магнитного потока) Bm.

Таким
образом, уменьшение толщины листов
пакета магнитопровода в два раза приведет
к четырехкратному уменьшению потерь
на вихревые токи.

Коэффициент
x является константой для конкретного
магнитопровода, пропорциональной
удельной проводимости материала и
зависящей также от геометрической формы
и размеров поперечного сечения.

Кроме
потерь на вихревые токи в сердечнике
катушки существуют также потери,
связанные с перемагничиванием материала
в течение периода. В соответствии с
формулой Штейнмеца, энергия теряемая
на один полный цикл перемагничивания
в единице объема вещества равна

WH`
= h Bmn
,

где
h — постоянный коэффициент, характеризующий
данное вещество, Bm
— амплитуда индукции и n
— показатель степени, зависящий от
амплитуды индукции. Для значений индукции
0.1< Bm
<1.0 Тл n
= 1.6, а для 0.1 > Bm
и 1.0< Bm
<1.6 Тл n
= 2.

Отсюда
мощность, расходуемая на перемагничивание
или, иначе говоря, потери
на гистерезис

равны

PH
= WH`fV
= h fBmnV
.

(2)

studfiles.net

1.4. Катушки индуктивности с магнитными сердечниками

Введение магнитного
сердечника увеличивает индуктивность
катушки. Это равносильно тому, что
катушки индуктивности при за­данной
индуктивности имеют меньшее число
витков, малую длину провода, небольшие
размеры. Дополнительным их преимуществом
яв­ляется возможность подстройки
величины индуктивности в
небольших пределах
путем перемещения специального
подстроечника.

Магнитные сердечники катушек
индуктивности могут быть оха­рактеризованы
следующими основными параметрами:
относительной (действующей) магнитной
проницаемостью, коэффициентом
использования магнитных свойств
материала, относительной добротностью,
потерями, стабильностью, диапазоном
рабочих частот. Определение этих
параметров производится применительно
к конкретной катушке, в которой
используется сердечник.

Относительная (действующая)
магнитная проницаемость предс­тавляет
собой отношение индуктивности катушки
с сердечником к индуктивности этой же
катушки, но без сердечника:

(9)

Ее величина зависит от начальной
магнитной проницаемости материала,
формы и размеров сердечника и катушки,
частоты. Чем больше проницаемость
магнитного материала, чем ближе к виткам
расположен сердечник, и чем ниже частота,
тем выше будет его дей­ствующая
магнитная проницаемость.

Индуктивность катушки
с сердечником в
раз больше индук­тивности той же
катушки, но без сердечника.

Коэффициент использования магнитных
свойств материала есть отношение
действующей магнитной проницаемости
сердечника к на­чальной магнитной
проницаемости материала:

(10)

Относительная
добротность
— это отношение добротности катушки с
сердечником к добротности этой же
катушки, но без сер­дечника:

(11)

характеризует потери, вносимые
сердечником, и сильно зависит от свойств
материала и частоты. С увеличением
частоты по­тери возрастают, проницаемость
падает, что приводит к уменьшению
добротности. Потери, вносимые сердечником
в катушку, состоят из потерь на гистерезис,
частотных и диэлектрических потерь.

Приближенно можно
считать, что добротность катушки с
сер­дечником в
раз
больше добротности катушки с тойже
индук­тивностью,
но без сердечника (на частотах, где
потери, вносимые сердечником, малы).

Стабильность катушек
с сердечниками хуже, чем у
катушек без сердечников,
из-за изменения его магнитных свойств.

Типы магнитных
сердечников. В катушках индуктивности
нахо­дят применение сердечники
различной формы: цилиндрические,
бро­невые, кольцевые (тороидальные)
Ш, Н,
0-образные и некоторые другие. Каждая
из этих имеет ряд конструктивных
вариантов, выз­ванных разнообразием
технических требований. Наиболее
употреби­тельные формы сердечников
представлены на рис. 5.

Цилиндрические сердечники являются
наиболее простыми по конструкции, но
характеризуются малым коэффициентом
использова­ния магнитных свойств.
Они чаще всего применяются для точной
подстройки катушек контуров. Диапазон
перестройки –

10-15 %.

Броневые сердечники позволяют
получать малогабаритные ка­тушки
индуктивности с высокой добротностью
и удовлетворительной стабильностью.
Они отличаются высоким коэффициентом
использова­ния магнитных свойств и
слабым полем рассеяния, что облегчает
экранирование. Для уменьшения потерь
и повышения стабильности в броневые
сердечники может вводиться зазор. При
этом однако уменьшается коэффициент
использования магнитных свойств.

Кольцевые (тороидальные)
сердечники дают наиболее полное
использование магнитных свойств. Поэтому
их применяют, когда не­обходимо
получить наибольшую индуктивность при
минимальных раз­мерах. Тороидальные
сердечники позволяют получать
высокодобротные катушки с Q=
400-500. Их основные недостатки — сложность
намотки и невозможность подстройки.

Магнитные сердечники для катушек
индуктивности изготавлива­ют из
магнитодиэлектриков и ферритов.

Магнитодиэлектрики
представляют собой смесь частиц
ферро­магнитного вещества и диэлектрика.
В качестве ферромагнетика ис­пользуется
альсифер или карбонильное железо, а в
качестве диэ­лектрика — бакелит,
аминопласт и др. Сердечники получаются
прес­сованием (холодным, горячим) или
литьем под давлением /7/.

Общим достоинством магнитодиэлектриков
являются достаточно высокая температурная
и временная стабильность, негигроскопичность,
постоянство магнитной проницаемости
в широком диапазоне частот, малые потери.
Их недостатком в ряде случаев является
не­высокая магнитная проницаемость
(10-25).

Ферриты представляют
собой твердые растворы окислов метал­лов
второй группы (Ni,
Мn,
Li,
Сu,
РЬ), цинка (Zn)
и кадмия (Cd)
с окисью железа (Fе203).
Изготовление сердечников осуществляется
прессованием или литьем под давлением
с последующим спеканием и механообработкой.

Основным достоинством ферритов
является высокая магнитная проницаемость.
Недостатками являются низкая температурная
ста­бильность, старение, достаточно
сильная зависимость магнитной
проницаемости от частоты, повышенная
нелинейность, гигроскопич­ность.

В высокочастотных катушках
индуктивности применяются магнитомягкие
ферриты для слабых полей — никель-цинковые
(НЦ), марганеццинковые (МЦ), литий-цинковые
(ЛЦ), свинцово-никелевые и др.

studfiles.net

Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока — Мегаобучалка

Переменный ток катушки возбуждает в магнитопроводе основной магнитный поток Ф (рис.11.3). Небольшая часть магнитных линий замыкается вне магнитопровода по воздуху, образуя потоки рассеяния Фs, которые удобно характеризовать одной интегральной величиной – потокосцеплением

рассеяния ψs. Основное магнитное сопротивление на пути потоков рассеяния создает линейная воздушная среда, поэтому считают, что ψs пропорционально току i: ψs = Lsi, где Ls – линейная индуктивность рассеяния обмотки.

 

 

Полное потокосцепление катушки

,

где w – число витков катушки.

 

 

Рис.11.3. Катушка с магнитопроводом: а – конструкция; б – схема замещения

 

Согласно закону электромагнитной индукции, изменение потокосцепления катушки индуцирует ЭДС самоиндукции:

.

Из баланса напряжений для контура e = Riu, где R – активное сопротивление обмотки, находим

.

Суммированию напряжений соответствует последовательное соединение элементов. Поэтому следует, что катушка с магнитопроводом представляется схемой замещения в виде последовательного соединения резистора R, линейной индуктивности Ls и нелинейной идеализированной катушки с напряжением u0 = –e0 = wdФ/dt. Нелинейность идеализированной индуктивности обусловлена наличием ферромагнитного сердечника. У реальных катушек R и Ls делают минимальными, поэтому, как правило, падением напряжений на них можно пренебречь и считать, что uu0 = –e0.

Пусть напряжение u источника: u = Umsinωt. Тогда u0 ≈ ≈ Umsinωt = wdФ/dt. Интегрируя это уравнение, получим f(t) =
= –Um/(wω)cosωt + A, где А – постоянная интегрирования. Можно показать, что в установившемся режиме А = 0.

Следовательно,

,

 

т. е. у реальной катушки при синусоидальном питающем напряжении магнитный поток также синусоидален и не зависит от свойств сердечника. Переходя к действующим значениям U0 = E0 = Um/с учетом ω = 2πf, получим

.

Это выражение используют при практическом анализе трансформаторов и называют трансформаторной ЭДС.

Для получения кривой тока i(t) в катушке предварительно перестроим петлю гистерезиса магнетика в вебер-амперную характеристику F(i). На рис.11.4 показан процесс построения по точкам кривой тока i(t). Пусть 1 – исходная точка на кривой f(t) при t = 0. Ей соответствует точка 1 на правой ветви петли гистерезиса. Точке 1 соответствует точка 1’’ на оси тока. Отрицательное значение тока, определяемое точкой 1’’, откладываем на вертикальной оси при t = 0. Задаемся моментом t = t1 (точка 2 на f(t)) и повторяем все действия. Получим на вертикали t = t1 точку 2’’. Соединив точки 1’’, 2’’, … плавной кривой, получим график тока i(t).

 

 

Ток i(t) несинусоидален. В разложении кривой тока в ряд Фурье содержатся только нечетные гармоники. С достаточной точностью можно ограничиться учетом только первой и третьей гармоник тока.


Рис.11.4. Построение кривой тока катушка с магнитопроводом

В большинстве случаев амплитуда тре­тьей гармоники Im(3) много меньше амплитуды первой Im(1), что позволяет для анализа катушки применить метод эквивалентных синусоид. Суть этого метода состоит в замене несинусоидального тока эквивалентной синусоидой при соблюдении двух условий:

1) действующее значение эквивалентной синусоиды равно действующему значению несинусоидального тока, т. е.

;

2) мощность потерь после замены не должна измениться. Введение эквивалентной синусоиды тока позволяет для анализа катушки использовать комплексный метод.

 

 

 

Рис. 11.5. Катушка с магнитопрово­дом: а – схема замещения; б – век­торная диаграмма; в – динамичес­кая и статическая петли гистерези­са сердечника

Из рис.11.5,б следует, что ток опережает по фазе поток на небольшой угол δ (угол потерь) и отстает по фазе от напряжения U0 на угол (90° – δ). Это означает, что входное сопротивление идеализированной катушки имеет активно-индуктивный характер. Полная схема замещения катушки представлена на рис.11.5, а.

Сопротивление R0 обусловлено тепловыми потерями в сердечнике из-за гистерезиса, а индуктивность L0 создает основной магнитный поток Ф. При анализе катушки с ферромагнитным сердечником необходимо учитывать возникновение вихревых токов в сердечнике, которые вызывают дополнительные тепловые поте ри. Для их снижения сердечник собирают из тонких пластин (на частоте 50 Гц толщина пластин 0,35¸0,5 мм). Сопротивление R0 учитывает потери из-за гистерезиса и вихревых токов. Для реальных катушек характерны соотношения R0 >> R; L0 >> Ls. Векторная диаграмма катушки показана на рис.11.5, б.

На рис.11.5, в внутренняя петля гистерезиса – статическая петля. При наличии вихревых токов в магнитопроводе петля расширяется, и ее называют динамической. Можно показать, что суммарная мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна площади петли гистерезиса.

megaobuchalka.ru

Катушка с ферромагнитным сердечником

Для
увеличения индуктивности катушек их
наматывают на замкнутые сердечники из
ферромагнитного материала. В устройствах
работающих на низких частотах для
сердечников используют электротехническую
сталь. При высоких частотах используются
сердечники из спрессованного
ферромагнитного порошка. Но независимо
от конструкции и материала все катушки
с ферромагнитным сердечником обладают
рядом особых свойств.
Для краткости в дальнейшем мы будем
называть их просто катушками.

В
основном катушки имеют конструкцию,
показанную на рис. 1. На замкнутый
сердечник из ферромагнитного материала
различной формы и размеров наматываются
проводники, по которым протекает
переменный ток.

Протекающий
ток создает вокруг катушки переменный
магнитный поток, большая часть которого
вследствие высокой магнитной проницаемости
ферромагнетика замыкается по материалу
Ф0.
Существенно меньшая часть магнитного
потока охватывает витки катушки,
замыкаясь по воздуху, и образует т.н.
поток рассеяния Фs.
Основной поток и поток рассеяния
отличаются друг от друга не только
количественно, но и принципиально. Поток
рассеяния замыкается по среде, магнитная
проницаемость которой не зависит от
напряженности магнитного поля. Поэтому
его величина линейно связана с величиной
тока катушки. Основной поток замыкается
по ферромагнетику, обладающему сильно
выраженной нелинейной зависимостью
магнитной проницаемости от напряженности
поля и неоднозначной связью между ними.
Все это делает невозможным общий точный
анализ процессов в катушке и требует
принятия допущений, позволяющих
рассматривать катушку как объект с
линейными характеристиками.

Переменный
магнитный поток, пронизывающий материал
сердечника, вызывает появление в массе
материала ЭДС индукции. Так как все
ферромагнетики относятся к проводникам,
то под действием этой ЭДС в сердечнике
возникают электрические токи ( iF
рис. 2), протекающие по замкнутым контурам,
расположенным в плоскостях перпендикулярных
направлению магнитного потока, и
называемые вихревыми токами или
токами Фуко.

Вихревые
токи создают свой магнитный поток,
стремящийся, в соответствии с правилом
Ленца, ослабить изменение основного
потока. Поэтому они действуют
размагничивающим образом, уменьшая
основной поток.

Размагничивающее
действие вихревых токов неодинаково в
различных частях сердечника. Наиболее
сильно оно выражено в центре сечения
(рис. 2), т.к. центральные части охватываются
максимальным числом контуров тока, МДС
которых и создают размагничивающий
поток. Поэтому в центре сечения плотность
основного магнитного потока будет
меньше, чем на краях, т.е. происходит
вытеснение основного магнитного потока
в наружные слои магнитопровода. Это
явление выражено тем резче, чем выше
частота магнитного потока и больше
сечение, магнитная проницаемость и
удельная проводимость материала
сердечника.

Протекающий
по материалу сердечника электрический
ток вызывает его нагрев. Если это тепло
не используется, то говорят о потерях
на вихревые токи. В соответствии с
законом Джоуля-Ленца, мощность расходуемая
на нагрев равна IF2r,
где IF
— действующее значение вихревых токов,
а r — сопротивление контура, по которому
они замыкаются. Очевиднно, что эффективно
снизить эти потери можно уменьшив ток.
Это достигается увеличением удельного
сопротивления материала и разделением
его на отдельные изолированные друг от
друга слои вдоль линий магнитного потока
(рис. 2). Такое разделение на слои называется
шихтованием магнитопровода.

studfiles.net