Тороидальные индукторы и трансформаторы — это индукторы и трансформаторы , которые используют магнитные сердечники тороидальной (кольцевой или бубликовой) формы. Они представляют собой пассивные электронные компоненты , состоящие из круглого кольцевого или бубликового магнитного сердечника из ферромагнитного материала, такого как слоистое железо , железный порошок или феррит , вокруг которого намотана проволока .
Хотя в индукторах с закрытым сердечником и трансформаторах часто используются сердечники прямоугольной формы, использование тороидальных сердечников иногда обеспечивает превосходные электрические характеристики. Преимущество тороидальной формы заключается в том, что благодаря ее симметрии количество магнитного потока , выходящего за пределы сердечника ( поток рассеяния ), может быть уменьшено, что потенциально делает его более эффективным и заставляет его излучать меньше электромагнитных помех (ЭМП).
Тороидальные индукторы и трансформаторы используются в широком спектре электронных схем: источниках питания , инверторах и усилителях , которые в свою очередь используются в подавляющем большинстве электрооборудования: телевизорах, радиоприемниках, компьютерах и аудиосистемах .
В целом, тороидальный индуктор/трансформатор более компактен, чем сердечники других форм, поскольку он изготовлен из меньшего количества материалов и включает в себя центрирующую шайбу, гайки и болты, что обеспечивает снижение веса конструкции до 50%. [1] Это особенно актуально для силовых устройств.
Поскольку тороид представляет собой замкнутый сердечник, он будет иметь более сильное магнитное поле и, следовательно, более высокую индуктивность и добротность, чем индуктор той же массы с прямым сердечником ( соленоидные катушки). Это происходит потому, что большая часть магнитного поля содержится внутри сердечника. Для сравнения, в индукторе с прямым сердечником магнитное поле, выходящее из одного конца сердечника, имеет длинный путь через воздух, чтобы войти в другой конец.
Кроме того, поскольку обмотки относительно короткие и намотаны в замкнутом магнитном поле, тороидальный трансформатор будет иметь более низкое вторичное сопротивление, что увеличит эффективность, электрические характеристики и уменьшит такие эффекты, как искажения и окантовка. [2]
Благодаря симметрии тороида, небольшой магнитный поток выходит из сердечника (поток рассеяния). Таким образом, тороидальный индуктор/трансформатор излучает меньше электромагнитных помех (ЭМП) в соседние цепи и является идеальным выбором для высококонцентрированных сред. [3] В последние годы производители перешли на тороидальные катушки, чтобы соответствовать все более строгим международным стандартам, ограничивающим величину электромагнитного поля, которое может создавать бытовая электроника.
В некоторых случаях ток в обмотке тороидального индуктора вносит вклад только в поле B внутри обмоток. Он не вносит вклад в магнитное поле B снаружи обмоток. Это является следствием симметрии и закона Ампера для электрических цепей .
Отсутствие окружного тока [4] (путь окружного тока обозначен красной стрелкой на рисунке 3 этого раздела) и аксиально-симметричное расположение проводников и магнитных материалов [4] [5] [6] являются достаточными условиями для полного внутреннего ограничения поля B. (Некоторые авторы предпочитают использовать поле H ). Из-за симметрии линии потока B должны образовывать окружности постоянной интенсивности с центром на оси симметрии. Единственные линии потока B, которые охватывают любой ток, — это те, которые находятся внутри тороидальной обмотки. Следовательно, из закона Ампера напряженность поля B должна быть равна нулю вне обмоток. [6]
На рисунке 3 этого раздела показана наиболее распространенная тороидальная обмотка. Она не удовлетворяет обоим требованиям по полному ограничению поля B. Если смотреть от оси, иногда обмотка находится внутри сердечника, а иногда снаружи сердечника. Она не является аксиально симметричной в ближней области. Однако в точках, находящихся на расстоянии, в несколько раз превышающем расстояние между обмотками, тороид выглядит симметричным. [7] Все еще существует проблема окружного тока. Независимо от того, сколько раз обмотка охватывает сердечник и насколько тонок провод, этот тороидальный индуктор все равно будет включать в себя один контур катушки в плоскости тороида. Эта обмотка также будет создавать и быть восприимчивой к полю E в плоскости индуктора.
На рисунках 4-6 показаны различные способы нейтрализации окружного тока. Рисунок 4 является самым простым и имеет то преимущество, что обратный провод может быть добавлен после покупки или сборки индуктора.
Будет иметь место распределение потенциала вдоль обмотки. Это может привести к электрическому полю в плоскости тороида, а также восприимчивости к электрическому полю в плоскости тороида, как показано на рисунке 7. Это можно смягчить, используя обратную обмотку, как показано на рисунке 8. При такой обмотке каждое место обмотки пересекает само себя; две части будут иметь одинаковую и противоположную полярность, что существенно уменьшает электрическое поле, генерируемое в плоскости.
См. Фейнман, главы 14 [8] и 15 [9] для общего обсуждения магнитного векторного потенциала . См. Фейнман, страницы 15-11 [10] для диаграммы магнитного векторного потенциала вокруг длинного тонкого соленоида, который также демонстрирует полное внутреннее ограничение поля B , по крайней мере в бесконечном пределе.
Поле A является точным при использовании предположения . Это было бы верно при следующих предположениях:
В оставшейся части этого раздела будет подразумеваться число 4, которое может быть отнесено к «квазистатическому состоянию».
Хотя аксиально-симметричный тороидальный индуктор без окружного тока полностью ограничивает поле B внутри обмоток, поле A (магнитный векторный потенциал) не ограничивается. Стрелка № 1 на рисунке показывает векторный потенциал на оси симметрии. Радиальные токовые секции a и b находятся на равном расстоянии от оси, но направлены в противоположных направлениях, поэтому они будут компенсироваться. Аналогично, сегменты c и d компенсируются. Все радиальные токовые сегменты компенсируются. Ситуация для аксиальных токов иная. Аксиальный ток снаружи тороида направлен вниз, а аксиальный ток внутри тороида направлен вверх. Каждый аксиальный токовый сегмент снаружи тороида может быть сопоставлен с равным, но противоположно направленным сегментом внутри тороида. Сегменты внутри ближе к оси, чем сегменты снаружи, поэтому вдоль оси симметрии имеется чистый восходящий компонент поля A.
Поскольку уравнения , и (предполагая квазистатические условия, т.е. ) имеют одинаковую форму, то линии и контуры A относятся к B так же, как линии и контуры B относятся к j . Таким образом, изображение поля A вокруг петли потока B (как это было бы создано в тороидальном индукторе) качественно такое же, как поле B вокруг петли тока. Рисунок слева - это художественное изображение поля A вокруг тороидального индуктора. Более толстые линии обозначают пути с более высокой средней интенсивностью (более короткие пути имеют более высокую интенсивность, так что интеграл пути тот же). Линии нарисованы просто для того, чтобы хорошо выглядеть и придать общий вид полю A.
Поля E и B можно вычислить из полей A и (скалярного электрического потенциала)
Применяется теорема Стокса [12] , так что интеграл пути A равен вложенному потоку B , так же как интеграл пути B равен константе, умноженной на вложенный ток.
Интеграл пути E вдоль вторичной обмотки дает индуцированную ЭДС вторичной обмотки (электродвижущую силу).
что означает, что ЭДС равна скорости изменения во времени потока B, заключенного в обмотке, что является обычным результатом.
На этом рисунке показана половина сечения тороидального трансформатора. Предполагается квазистатические условия, поэтому фаза каждого поля везде одинакова. Трансформатор, его обмотки и все остальное распределены симметрично относительно оси симметрии. Обмотки таковы, что нет окружного тока. Выполняются требования для полного внутреннего ограничения поля B из-за первичного тока. Сердечник и первичная обмотка представлены серо-коричневым тором. Первичная обмотка не показана, но ток в обмотке на поверхности поперечного сечения показан золотыми (или оранжевыми) эллипсами. Поле B , вызванное первичным током, ограничено областью, ограниченной первичной обмоткой (т. е. сердечником). Синие точки на левом поперечном сечении указывают, что линии потока B в сердечнике выходят из левого поперечного сечения. На другом поперечном сечении синие знаки плюс указывают, что поток B туда входит. Поле E , полученное от первичных токов, показано зелеными эллипсами. Вторичная обмотка показана как коричневая линия, идущая прямо вниз по оси симметрии. В стандартной практике два конца вторичной обмотки соединены длинным проводом, который находится на значительном расстоянии от тора, но для поддержания абсолютной осевой симметрии весь аппарат представляется как находящийся внутри идеально проводящей сферы с вторичным проводом, «заземленным» к внутренней части сферы на каждом конце. Вторичная обмотка сделана из резистивной проволоки, поэтому отдельной нагрузки нет. Поле E вдоль вторичной обмотки вызывает ток во вторичной обмотке (желтые стрелки), который вызывает поле B вокруг вторичной обмотки (показано синими эллипсами). Это поле B заполняет пространство, в том числе внутри сердечника трансформатора, поэтому в конечном итоге существует непрерывное ненулевое поле B от первичной обмотки до вторичной, если вторичная обмотка не разомкнута. Перекрестное произведение поля E (полученного от первичных токов) и поля B (полученного от вторичных токов) образует вектор Пойнтинга, который направлен от первичной обмотки к вторичной.
