Магнитный сердечник — это кусок магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью , используемый для ограничения и направления магнитных полей в электрических, электромеханических и магнитных устройствах, таких как электромагниты , трансформаторы , электродвигатели , генераторы , индукторы , громкоговорители , головки магнитной записи и магнитные сборки. . Он изготовлен из ферромагнитного металла, такого как железо, или ферримагнитных соединений, таких как ферриты . Высокая проницаемость по отношению к окружающему воздуху приводит к концентрации силовых линий магнитного поля в материале сердечника. Магнитное поле часто создается проволочной катушкой с током вокруг сердечника.
Использование магнитного сердечника может увеличить силу магнитного поля в электромагнитной катушке в несколько сотен раз по сравнению с той, которая была бы без сердечника. Однако магнитные сердечники имеют побочные эффекты, которые необходимо учитывать. В устройствах переменного тока (AC) они вызывают потери энергии, называемые потерями в сердечнике , из-за гистерезиса и вихревых токов в таких устройствах, как трансформаторы и индукторы. В сердечниках обычно используются «мягкие» магнитные материалы с низкой коэрцитивной силой и гистерезисом, такие как кремниевая сталь или феррит .
Электрический ток через провод, намотанный на катушку , создает магнитное поле через центр катушки в соответствии с законом цепи Ампера . Катушки широко используются в электронных компонентах, таких как электромагниты , катушки индуктивности , трансформаторы , электродвигатели и генераторы . Катушка без магнитного сердечника называется катушкой с воздушным сердечником. Добавление кусочка ферромагнитного или ферримагнитного материала в центр катушки может увеличить магнитное поле в сотни или тысячи раз; это называется магнитным сердечником. Поле провода проникает в материал сердечника, намагничивая его, так что сильное магнитное поле сердечника добавляется к полю, создаваемому проводом. Величина увеличения магнитного поля сердечником зависит от магнитной проницаемости материала сердечника. Поскольку побочные эффекты, такие как вихревые токи и гистерезис , могут вызывать частотно-зависимые потери энергии, для катушек, работающих на разных частотах, используются разные материалы сердечника .
В некоторых случаях потери нежелательны, а при очень сильных полях насыщение может стать проблемой, поэтому используется «воздушный сердечник». Первый все еще можно использовать; кусок материала, например пластика или композита, который может не обладать значительной магнитной проницаемостью, но который просто удерживает катушки проводов на месте.
«Мягкое» ( отожженное ) железо используется в магнитных узлах, электромагнитах постоянного тока (DC) и в некоторых электродвигателях; и он может создать концентрированное поле, которое в 50 000 раз более интенсивно, чем воздушное ядро. [1]
Для изготовления магнитных сердечников желательно использовать железо, так как оно способно выдерживать высокие уровни магнитного поля без насыщения (до 2,16 Тл при температуре окружающей среды. [2] [3] ). Отожженное железо используется потому, что, в отличие от «твердого» железа, оно имеет низкую коэрцитивность и поэтому не остается намагниченным при удалении поля, что часто важно в приложениях, где требуется многократное переключение магнитного поля.
Из-за электропроводности металла, когда сплошной цельный металлический сердечник используется в устройствах переменного тока (AC), таких как трансформаторы и индукторы, изменяющееся магнитное поле индуцирует большие вихревые токи, циркулирующие внутри него, замкнутые контуры электрического тока в плоскости, перпендикулярные полю. Ток, протекающий через сопротивление металла, нагревает его за счет джоулева нагрева , вызывая значительные потери мощности. Поэтому в трансформаторах или индукторах не используются твердые железные сердечники, их заменяют ламинированными или порошковыми железными сердечниками или непроводящими сердечниками, такими как феррит .
Чтобы уменьшить упомянутые выше потери на вихревые токи, в большинстве низкочастотных силовых трансформаторов и индукторов используются ламинированные сердечники, изготовленные из стопок тонких листов кремнистой стали :
Ламинированные магнитопроводы состоят из стопок тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, лежащих как можно более параллельно линиям потока. Слои изоляции служат барьером для вихревых токов, поэтому вихревые токи могут протекать только узкими петлями в пределах толщины каждого отдельного слоя. Поскольку ток в вихретоковой петле пропорционален площади петли, это предотвращает протекание большей части тока, уменьшая вихревые токи до очень небольшого уровня. Поскольку рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока, разбиение большого сердечника на узкие пластины резко снижает потери мощности. Отсюда видно, что чем тоньше пластины, тем меньше потери на вихревые токи.
Небольшая добавка кремния к железу (около 3%) приводит к резкому увеличению удельного сопротивления металла , вплоть до четырех раз. [ нужна цитата ] Более высокое удельное сопротивление уменьшает вихревые токи, поэтому в сердечниках трансформаторов используется кремниевая сталь. Дальнейшее увеличение концентрации кремния ухудшает механические свойства стали, вызывая затруднения при прокатке из-за хрупкости.
Среди двух типов кремниевой стали : текстурированной (GO) и неориентированной (GNO), GO наиболее предпочтителен для магнитных сердечников. Он анизотропен и обладает лучшими магнитными свойствами, чем GNO, в одном направлении. Поскольку магнитное поле в сердечниках индуктора и трансформатора всегда направлено в одном и том же направлении, преимуществом является использование текстурированной стали с предпочтительной ориентацией. Вращающиеся машины, в которых направление магнитного поля может меняться, не получают никакой пользы от текстурированной стали.
Существует семейство специализированных сплавов для применения в магнитных сердечниках. Примерами являются мю-металл , пермаллой и супермаллой . Они могут быть изготовлены в виде штамповок или в виде длинных лент для сердечников, намотанных лентой. Некоторые сплавы, например Сендаст , производятся в виде порошка и спекаются для придания формы.
Многие материалы требуют тщательной термической обработки для достижения своих магнитных свойств и теряют их при механическом или термическом воздействии. Например, проницаемость мю-металла увеличивается примерно в 40 раз после отжига в атмосфере водорода в магнитном поле; последующие более резкие изгибы нарушают выравнивание зерен, что приводит к локальной потере проницаемости; этого можно восстановить, повторив этап отжига.
Аморфный металл представляет собой множество некристаллических или стеклообразных сплавов (например, метглас ). Они используются для создания высокоэффективных трансформаторов. Материалы могут быть очень чувствительны к магнитным полям из-за низких потерь на гистерезис, а также могут иметь более низкую проводимость для уменьшения потерь на вихревые токи. Электроэнергетические компании в настоящее время широко используют эти трансформаторы для новых установок. [4] Высокая механическая прочность и коррозионная стойкость также являются общими свойствами металлических стекол, которые являются положительными для этого применения. [5]
Порошковые ядра состоят из металлических зерен, смешанных с подходящим органическим или неорганическим связующим и спрессованных до желаемой плотности. Более высокая плотность достигается при более высоком давлении и меньшем количестве связующего. Сердечники с более высокой плотностью имеют более высокую проницаемость, но более низкое сопротивление и, следовательно, более высокие потери из-за вихревых токов. Более мелкие частицы позволяют работать на более высоких частотах, поскольку вихревые токи в основном ограничиваются внутри отдельных зерен. Покрытие частиц изолирующим слоем или их разделение тонким слоем связующего снижает потери на вихревые токи. Наличие более крупных частиц может ухудшить высокочастотные характеристики. На проницаемость влияет расстояние между зернами, образующими распределенный воздушный зазор; чем меньше зазор, тем выше проницаемость и менее мягкое насыщение. Из-за большой разницы плотностей даже небольшое количество связующего по весу может значительно увеличить объем и, следовательно, межзерновое расстояние.
Материалы с более низкой проницаемостью лучше подходят для более высоких частот из-за балансировки потерь в сердечнике и обмотке.
Поверхность частиц часто окисляют и покрывают фосфатным слоем, чтобы обеспечить им взаимную электроизоляцию.
Железный порошок – самый дешевый материал. У него более высокие потери в сердечнике, чем у более совершенных сплавов, но это можно компенсировать, увеличив размер сердечника; это выгодно там, где стоимость важнее массы и размера. Поток насыщения примерно от 1 до 1,5 Тесла. Относительно высокий гистерезис и потери на вихревые токи, работа ограничена более низкими частотами (примерно ниже 100 кГц). Используется в индукторах накопления энергии, выходных дросселях постоянного тока, дифференциальных дросселях, дросселях симисторных регуляторов, дросселях для коррекции коэффициента мощности , резонансных индукторах, а также импульсных и обратноходовых трансформаторах. [6]
В качестве связующего обычно используется эпоксидная смола или другая органическая смола, подверженная термическому старению. При более высоких температурах, обычно выше 125 °C, связующее разрушается, и магнитные свойства сердечника могут измениться. При использовании более термостойких связующих сердечники можно использовать при температуре до 200 °C. [7]
Сердечники из железного порошка чаще всего доступны в виде тороидов. Иногда как Э, ЭИ, а также стержни или блоки, используемые преимущественно в сильномощных и сильноточных деталях.
Карбонильное железо значительно дороже восстановленного водородом железа.
Порошковые сердечники из карбонильного железа , железа высокой чистоты, обладают высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур и уровней магнитного потока , с превосходной добротностью в диапазоне от 50 кГц до 200 МГц. Порошки карбонильного железа в основном состоят из железных сфер микрометрового размера, покрытых тонким слоем электроизоляции . Это эквивалентно микроскопической ламинированной магнитной цепи (см. кремниевую сталь выше), что снижает вихревые токи , особенно на очень высоких частотах. Карбонильное железо имеет меньшие потери, чем железо, восстановленное водородом, но также и более низкую проницаемость.
Магнитные сердечники на основе карбонильного железа популярно применяются в высокочастотных и широкополосных индукторах и трансформаторах , особенно высокой мощности.
Сердечники из карбонильного железа часто называют «радиочастотными ядрами».
Свежеприготовленные частицы «Е-типа» имеют луковичную оболочку с концентрическими оболочками, разделенными промежутком. Они содержат значительное количество углерода. Они ведут себя намного меньше, чем можно предположить по их внешнему размеру. Частицы «C-типа» можно получить путем нагревания частиц E-типа в атмосфере водорода при температуре 400 ° C в течение длительного времени, в результате чего получаются порошки, не содержащие углерода. [8]
Порошковые сердечники из восстановленного водородом железа имеют более высокую проницаемость, но более низкую добротность, чем карбонильное железо. Применяются преимущественно в фильтрах электромагнитных помех и дросселях низкой частоты, преимущественно в импульсных источниках питания .
Железные сердечники с восстановленным водородом часто называют «силовыми сердечниками».
Сплав, содержащий около 2% молибдена , 81% никеля и 17% железа. Очень низкие потери в сердечнике, низкий гистерезис и, следовательно, низкие искажения сигнала. Очень хорошая температурная стабильность. Высокая стоимость. Максимальный поток насыщения около 0,8 Тл. Используется в высокодобротных фильтрах, резонансных цепях, нагрузочных катушках, трансформаторах, дросселях и т. д. [6]
Этот материал был впервые представлен в 1940 году и использовался в нагрузочных катушках для компенсации емкости в длинных телефонных линиях. Его можно использовать в диапазоне от 200 кГц до 1 МГц, в зависимости от производителя. [7] Он до сих пор используется в наземных телефонных линиях из-за своей температурной стабильности. В подземных линиях, где температура более стабильна, обычно используются ферритовые сердечники из-за их более низкой стоимости. [8]
Сплав примерно 50–50% никеля и железа. Высокое накопление энергии, плотность потока насыщения около 1,5 тесла. Остаточная плотность потока около нуля. Используется в приложениях с высоким смещением постоянного тока (фильтры сетевых помех или катушки индуктивности в импульсных стабилизаторах) или там, где необходима низкая остаточная плотность потока (например, импульсные и обратноходовые трансформаторы, высокое насыщение подходит для униполярного привода), особенно в условиях ограниченного пространства. Материал пригоден для использования до частоты примерно до 200 кГц. [6]
Сплав, состоящий из 6% алюминия, 9% кремния и 85% железа. Потери в сердечнике выше, чем MPP. Очень низкая магнитострикция , низкий уровень звукового шума. Теряет индуктивность с повышением температуры, в отличие от других материалов; может использоваться в сочетании с другими материалами в качестве композитного сердечника для температурной компенсации. Поток насыщения около 1 тесла. Хорошая температурная стабильность. Используется в импульсных источниках питания, импульсных и обратноходовых трансформаторах, линейных фильтрах помех, поворотных дросселях и в фильтрах фазовых контроллеров (например, диммеров), где важен низкий акустический шум. [6]
Отсутствие никеля приводит к более легкой обработке материала и его более низкой стоимости, чем как у высокофлюсового, так и у МПП.
Материал был изобретен в Японии в 1936 году. Его можно использовать в диапазоне частот от 500 кГц до 1 МГц, в зависимости от производителя. [7]
Нанокристаллический сплав стандартного сплава железо-бор-кремний с добавлением меньшего количества меди и ниобия . Размер зерен порошка достигает 10–100 нанометров. Материал имеет очень хорошие характеристики на низких частотах. Он используется в дросселях инверторов и в устройствах большой мощности. Он доступен под такими названиями, как, например, Nanoperm, Vitroperm, Hitperm и Finemet. [7]
Ферритовая керамика используется для высокочастотных применений. Ферритовые материалы могут быть разработаны с широким диапазоном параметров. Как керамика, они по существу являются изоляторами, что предотвращает вихревые токи, хотя потери, такие как потери на гистерезис, все же могут возникать.
Катушка, не содержащая магнитного сердечника, называется воздушным сердечником . Сюда входят катушки, намотанные на пластиковую или керамическую форму, а также катушки из жесткой проволоки, которые являются самонесущими и содержат воздух внутри. Катушки с воздушным сердечником обычно имеют гораздо меньшую индуктивность , чем катушки с ферромагнитным сердечником аналогичного размера, но используются в радиочастотных цепях для предотвращения потерь энергии, называемых потерями в сердечнике , которые возникают в магнитных сердечниках. Отсутствие нормальных потерь в сердечнике обеспечивает более высокую добротность , поэтому катушки с воздушным сердечником используются в высокочастотных резонансных цепях , например, до нескольких мегагерц. Однако такие потери, как эффект близости и диэлектрические потери , все еще присутствуют. Воздушные сердечники также используются, когда требуется напряженность поля выше 2 Тесла, поскольку они не подвержены насыщению.
.jpg/1280px-Ferrite-R-Core_(7).jpg)
Чаще всего изготавливается из феррита или порошкового железа и используется в радиоприемниках , особенно для настройки индуктора . Катушка намотана на стержень или имеет форму катушки со стержнем внутри. Перемещение стержня внутрь или наружу катушки изменяет поток через катушку и может использоваться для регулировки индуктивности . Часто стержень имеет резьбу , позволяющую регулировать его с помощью отвертки. В радиосхемах после настройки индуктора используется капля воска или смолы , чтобы предотвратить перемещение сердечника.
Наличие сердечника с высокой магнитной проницаемостью увеличивает индуктивность , но силовые линии магнитного поля все равно должны проходить через воздух от одного конца стержня к другому. Воздушный путь гарантирует, что индуктор остается линейным . В этом типе индуктора излучение возникает на конце стержня, и в некоторых случаях электромагнитные помехи могут стать проблемой.
Похож на цилиндрический стержень, но имеет квадратную форму и редко используется сам по себе. Сердечник такого типа чаще всего встречается в автомобильных катушках зажигания.
Сердечники U- и C -образной формы используются с I или другим сердечником C или U для создания квадратного закрытого сердечника, самой простой закрытой формы сердечника. Обмотки могут располагаться на одной или обеих ветвях сердечника.
Сердечник Е-образной формы является более симметричным решением для формирования замкнутой магнитной системы. Большую часть времени электрическая цепь наматывается вокруг центральной ножки, площадь сечения которой в два раза больше, чем у каждой отдельной внешней ножки. В сердечниках трехфазного трансформатора ноги имеют одинаковый размер, и все три ноги намотаны.
Листы подходящего железа, отштампованные в форме букв «E» и «I» ( без засечек ) , укладываются буквой «I» напротив открытого конца буквы «E», образуя трехопорную конструкцию. Катушки можно наматывать на любую ножку, но обычно используется центральная ножка. Этот тип сердечника часто используется в силовых трансформаторах, автотрансформаторах и индукторах.
Снова используется для железных сердечников. Подобно совместному использованию букв «E» и «I», пара сердечников «E» вмещает в себя более крупный формирователь катушки и может производить более крупный индуктор или трансформатор . Если требуется воздушный зазор, центральная ножка «E» укорачивается так, чтобы воздушный зазор находился в середине катушки, чтобы минимизировать окантовку и уменьшить электромагнитные помехи .
Плоский сердечник состоит из двух плоских кусков магнитного материала, одного над и одного под катушкой. Обычно он используется с плоской катушкой, которая является частью печатной платы . Эта конструкция отлично подходит для массового производства и позволяет изготовить трансформатор высокой мощности небольшого объема по низкой цене. Он не так идеален, как сердечник горшка или тороидальный сердечник [ нужна ссылка ] , но его производство обходится дешевле.
Обычно феррит или аналогичный. Это используется для индукторов и трансформаторов . Форма сердечника горшка круглая с внутренней полостью, почти полностью охватывающей катушку. Обычно сердечник горшка состоит из двух половин, которые соединяются вокруг формирователя катушки ( шпульки ). Такая конструкция сердечника оказывает экранирующий эффект, предотвращая излучение и уменьшая электромагнитные помехи .
В основе этой конструкции лежит тороид (той же формы, что и пончик ). Катушка наматывается через отверстие в торе и вокруг него снаружи. Идеальная катушка распределена равномерно по всей окружности тора. Симметрия этой геометрии создает внутри сердечника магнитное поле в виде круговых петель, а отсутствие резких изгибов будет ограничивать практически все поле материалом сердечника. Это не только делает трансформатор высокоэффективным , но и снижает электромагнитные помехи, излучаемые катушкой.
Он популярен там, где желательными характеристиками являются: высокая удельная мощность на массу и объем , низкий уровень шума в сети и минимальные электромагнитные помехи . Одним из таких приложений является источник питания для усилителя звука Hi-Fi . Основным недостатком, ограничивающим их использование для приложений общего назначения, является сложность намотки провода через центр тора.
В отличие от разъемного сердечника (сердечника, состоящего из двух элементов, как пара сердечников Е ), для автоматизированной намотки тороидального сердечника требуется специализированное оборудование. Тороиды издают меньше слышимого шума, например шума сети, поскольку магнитные силы не оказывают на сердечник изгибающего момента . Сердечник находится только в сжатии или растяжении, а круглая форма механически более стабильна.
.jpg/1280px-Two_inductors_(437342545).jpg)
Кольцо по форме и характеристикам по существу идентично тороиду, за исключением того, что индукторы обычно проходят только через центр сердечника, не оборачиваясь вокруг сердечника несколько раз.
Кольцевой сердечник также может состоять из двух отдельных полусфер С-образной формы, скрепленных вместе внутри пластиковой оболочки, что позволяет размещать его на готовых кабелях с уже установленными большими разъемами, что предотвратит продевание кабеля через небольшой внутренний диаметр сплошного кольца. .
Значение A L конфигурации ядра часто указывается производителями. Взаимосвязь между индуктивностью и числом AL на линейной части кривой намагничивания определяется как:
где n — количество витков, L — индуктивность (например, в nH), а A L выражается в квадрате индуктивности на виток (например, в nH/n 2 ). [9]
Когда сердечник подвергается изменяющемуся магнитному полю, как это происходит в устройствах, использующих переменный ток, таких как трансформаторы , катушки индуктивности , двигатели переменного тока и генераторы переменного тока , часть мощности, которая в идеале должна была бы передаваться через устройство, теряется в сердечнике. рассеивается в виде тепла , а иногда и шума . Потери в сердечнике обычно называют потерями в железе , в отличие от потерь в меди , то есть потерь в обмотках. [10] [11] Потери железа часто подразделяют на три категории:
Когда магнитное поле в сердечнике изменяется, намагниченность материала сердечника изменяется за счет расширения и сжатия крошечных магнитных доменов, из которых он состоит, из-за движения доменных стенок . Этот процесс вызывает потери, поскольку доменные стенки «зацепляются» за дефекты кристаллической структуры, а затем «пролетают» мимо них, рассеивая энергию в виде тепла. Это называется гистерезисными потерями . Это можно увидеть на графике зависимости поля B от поля H для материала, который имеет форму замкнутого контура. Чистая энергия, которая поступает в индуктор, выраженная в зависимости от характеристики BH сердечника, показана уравнением [12]
Это уравнение показывает, что количество энергии, теряемой в материале за один цикл приложенного поля, пропорционально площади внутри петли гистерезиса . Поскольку энергия, теряемая в каждом цикле, постоянна, потери мощности на гистерезис увеличиваются пропорционально частоте . [13] Окончательное уравнение для потерь мощности на гистерезис: [12]
Если сердечник является электропроводным , изменяющееся магнитное поле индуцирует в нем циркулирующие петли тока, называемые вихревыми токами , из-за электромагнитной индукции . [14] Петли текут перпендикулярно оси магнитного поля. Энергия токов рассеивается в виде тепла на сопротивлении материала сердечника. Потери мощности пропорциональны площади контуров и обратно пропорциональны удельному сопротивлению материала сердечника. Потери на вихревые токи можно уменьшить, изготовив сердечник из тонких пластин с изолирующим покрытием или, альтернативно, изготовив сердечник из магнитного материала с высоким электрическим сопротивлением, например феррита . [15] По этой причине в большинстве магнитных сердечников, предназначенных для преобразователей мощности, используются ферритовые сердечники.
По определению, в эту категорию входят любые потери помимо потерь на вихревые токи и гистерезиса. Это также можно описать как расширение петли гистерезиса с частотой. Физические механизмы аномальных потерь включают локализованные эффекты вихревых токов вблизи движущихся доменных стенок.
Уравнение, известное как уравнение Легга, моделирует потери магнитного материала в сердечнике при низких плотностях потока . Уравнение имеет три компонента потерь: гистерезис, остаточный ток и вихревой ток, [16] [17] [18] и определяется выражением
где
Потери в магнитных материалах можно охарактеризовать коэффициентами Штейнмеца, которые, однако, не учитывают температурную изменчивость. Производители материалов предоставляют данные о потерях в сердечнике в табличной и графической форме для практических условий применения.
