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 , магнитные записывающие головки и магнитные сборки. Он изготовлен из ферромагнитного металла, такого как железо, или ферримагнитных соединений, таких как ферриты . Высокая проницаемость относительно окружающего воздуха приводит к тому, что линии магнитного поля концентрируются в материале сердечника. Магнитное поле часто создается токопроводящей катушкой из провода вокруг сердечника.
Использование магнитного сердечника может увеличить силу магнитного поля в электромагнитной катушке в несколько сотен раз по сравнению с тем, что было 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 приложениях, как трансформаторы и индукторы. «Мягкие» магнитные материалы с низкой коэрцитивной силой и гистерезисом, такие как кремниевая сталь или феррит , обычно используются в сердечниках.
Электрический ток через провод, намотанный в катушку, создает магнитное поле через центр катушки из-за закона Ампера . Катушки широко используются в электронных компонентах, таких как электромагниты , индукторы , трансформаторы , электродвигатели и генераторы . Катушка без магнитного сердечника называется катушкой с «воздушным сердечником». Добавление куска 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, на которую магнитное поле увеличивается сердечником, зависит от магнитной проницаемости материала сердечника. Поскольку побочные эффекты, такие как вихревые токи и гистерезис, могут вызывать зависящие от частоты потери энергии, для катушек, используемых на разных частотах , используются разные материалы сердечника .
В некоторых случаях потери нежелательны, а при очень сильных полях насыщение может быть проблемой, и используется «воздушный сердечник». Форму все еще можно использовать; кусок материала, например, пластика или композита, который может не иметь значительной магнитной проницаемости, но который просто удерживает катушки проводов на месте.
«Мягкое» ( отожженное ) железо используется в магнитных узлах, электромагнитах постоянного тока (DC) и в некоторых электродвигателях; оно может создавать концентрированное поле, которое в 50 000 раз интенсивнее, чем у воздушного сердечника. [1]
Железо желательно использовать для изготовления магнитных сердечников, так как оно может выдерживать высокие уровни магнитного поля без насыщения (до 2,16 тесла при температуре окружающей среды. [2] [3] ) Отожженное железо используется, так как, в отличие от «твердого» железа, оно имеет низкую коэрцитивную силу и поэтому не остается намагниченным при снятии 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 плоскостях, перпендикулярных полю. Ток, протекающий через сопротивление металла, нагревает его за счет джоулева тепла , вызывая значительные потери мощности. Поэтому сплошные железные сердечники не используются в трансформаторах или индукторах, их заменяют ламинированные или порошковые железные сердечники или непроводящие сердечники, такие как феррит .
Для уменьшения потерь на вихревые токи, упомянутых выше, в большинстве низкочастотных силовых трансформаторов и индукторов используются ламинированные сердечники, изготовленные из стопок тонких листов кремнистой стали :
Ламинированные магнитные сердечники изготавливаются из стопок тонких железных листов, покрытых изолирующим слоем, которые лежат максимально параллельно линиям потока. Слои изоляции служат барьером для вихревых токов, поэтому вихревые токи могут течь только в узких петлях в пределах толщины каждой отдельной пластины. Поскольку ток в петле вихревого тока пропорционален площади петли, это предотвращает протекание большей части тока, снижая вихревые токи до очень малого уровня. Поскольку рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока, разбиение большого сердечника на узкие пластины резко снижает потери мощности. Из этого следует, что чем тоньше пластины, тем ниже потери вихревых токов.
Небольшое добавление кремния к железу (около 3%) приводит к резкому увеличению удельного сопротивления металла, до четырех раз. [ требуется цитата ] Более высокое удельное сопротивление уменьшает вихревые токи, поэтому кремниевая сталь используется в сердечниках трансформаторов. Дальнейшее увеличение концентрации кремния ухудшает механические свойства стали, вызывая трудности при прокатке из-за хрупкости.
Среди двух типов кремнистой стали , ориентированной по зерну (GO) и неориентированной по зерну (GNO), GO является наиболее желательной для магнитных сердечников. Она анизотропна , предлагая лучшие магнитные свойства, чем GNO в одном направлении. Поскольку магнитное поле в сердечниках индукторов и трансформаторов всегда направлено в одном направлении, выгодно использовать ориентированную по зерну сталь в предпочтительной ориентации. Вращающиеся машины, где направление магнитного поля может меняться, не получают никакой выгоды от ориентированной по зерну 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 длинных лент для ленточных сердечников. 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 его зерен, что приводит к локальной потере проницаемости; ее можно восстановить, повторив этап отжига.
Аморфный металл — это разновидность сплавов (например, Metglas ), которые являются некристаллическими или стеклообразными. Они используются для создания высокоэффективных трансформаторов. Материалы могут быть очень чувствительны к магнитным полям для низких потерь на гистерезис, а также они могут иметь более низкую проводимость для снижения потерь на вихревые токи. Энергетические 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 сердечники состоят из металлических зерен, смешанных с подходящим органическим или неорганическим связующим веществом, и спрессованных до желаемой плотности. Более высокая плотность достигается при более высоком давлении и меньшем количестве связующего вещества. 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 ограничены отдельными зернами. Покрытие частиц изолирующим слоем или их разделение тонким слоем связующего вещества снижает потери из-за вихревых токов. Наличие более крупных частиц может ухудшить высокочастотные характеристики. Проницаемость зависит от расстояния между зернами, которые образуют распределенный воздушный зазор; чем меньше зазор, тем выше проницаемость и менее мягкое насыщение. Из-за большой разницы плотностей даже небольшое количество связующего вещества по весу может значительно увеличить объем и, следовательно, межзерновое расстояние.
Материалы с меньшей проницаемостью лучше подходят для более высоких частот благодаря балансировке потерь в сердечнике и обмотке.
Поверхность частиц часто окисляется и покрывается слоем фосфата, что обеспечивает им взаимную электрическую изоляцию.
Порошковое железо — самый дешевый материал. У него более высокие потери в сердечнике, чем у более современных сплавов, но это можно компенсировать, сделав сердечник больше; это выгодно, когда стоимость важнее массы и размера. Поток насыщения около 1–1,5 тесла. Относительно высокие потери на гистерезис и вихревые токи, работа ограничена более низкими частотами (примерно ниже 100 кГц). Используется в индукторах накопления энергии, выходных дросселях постоянного тока, дроссельных дифференциальных режимах, дроссельных регуляторах симистора, дросселях для коррекции коэффициента мощности , резонансных индукторах, импульсных и обратноходовых трансформаторах. [6]
В качестве связующего обычно используется эпоксидная 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 могут использоваться при температуре до 200 °C. [7]
Сердечники из железного порошка чаще всего доступны в виде тороидов. Иногда в виде E, EI и стержней или блоков, используемых в основном в мощных 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 превосходными факторами добротности между 50 кГц и 200 МГц. Порошки карбонильного железа в основном состоят из микрометровых сфер железа, покрытых тонким слоем электроизоляции . Это эквивалентно микроскопической слоистой магнитной цепи (см. кремниевую сталь выше), следовательно, уменьшая вихревые токи , особенно на очень высоких частотах. Карбонильное железо имеет меньшие потери, чем железо, восстановленное водородом, но также и меньшую проницаемость.
Магнитопроводы на основе карбонильного железа широко применяются в высокочастотных и широкополосных индукторах и трансформаторах , особенно большой мощности.
Сердечники из карбонильного железа часто называют «радиочастотными сердечниками».
Приготовленные частицы «E-типа» имеют луковичную кожуру с концентрическими оболочками, разделенными зазором. Они содержат значительное количество углерода. Они ведут себя намного меньше, чем можно было бы предположить по их внешнему размеру. Частицы «C-типа» можно приготовить, нагревая частицы E-типа в атмосфере водорода при 400 °C в течение длительного времени, что приводит к получению порошков, не содержащих углерода. [8]
Порошковые сердечники из восстановленного водородом железа имеют более высокую проницаемость, но более низкую добротность, чем карбонильное железо. Они используются в основном для фильтров электромагнитных помех и низкочастотных дросселей, в основном в импульсных источниках питания .
Сердечники из восстановленного водородом железа часто называют «силовыми сердечниками».
Сплав примерно 2% молибдена , 81% никеля и 17% железа. Очень низкие потери в сердечнике, низкий гистерезис и, следовательно, низкое искажение сигнала. Очень хорошая температурная стабильность. Высокая стоимость. Максимальный поток насыщения около 0,8 тесла. Используется в фильтрах с высокой добротностью, резонансных контурах, нагрузочных катушках, трансформаторах, дросселях и т. д. [6]
Материал был впервые представлен в 1940 году, использовался в нагрузочных катушках для компенсации емкости в длинных телефонных линиях. Он может использоваться до 200 кГц - 1 МГц, в зависимости от поставщика. [7] Он до сих пор используется в надземных телефонных линиях из-за его температурной стабильности. Подземные линии, где температура более стабильна, как правило, используют 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 близка к нулю. Используется в приложениях с высоким смещением постоянного тока (фильтры линейных помех или индукторы в импульсных регуляторах) или там, где требуется низкая остаточная плотность потока (например, импульсные и обратноходовые трансформаторы, высокая насыщенность подходит для униполярного привода), особенно там, где пространство ограничено. Материал можно использовать до примерно 200 кГц. [6]
Сплав из 6% алюминия, 9% кремния и 85% железа. Потери в сердечнике выше, чем у MPP. Очень низкая магнитострикция , низкий уровень звукового шума. Теряет индуктивность с ростом 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, качающихся дросселях и в фильтрах в фазовых контроллерах (например, диммерах), где важен низкий уровень акустического шума. [6]
Отсутствие никеля обеспечивает более легкую обработку материала и его более низкую стоимость по сравнению как с высокопоточным, так и с MPP.
Материал был изобретен в Японии в 1936 году. Его можно использовать в диапазоне частот от 500 кГц до 1 МГц, в зависимости от поставщика. [7]
Нанокристаллический сплав стандартного сплава железа, бора и кремния с добавлением небольшого количества меди и ниобия . Размер зерна порошка достигает 10–100 нанометров. Материал имеет очень хорошие характеристики на низких частотах. Он используется в дроссельных заслонках для инверторов и в мощных приложениях . Он доступен под такими названиями, как, например, Nanoperm, Vitroperm, Hitperm и Finemet. [7]
Ферритовая керамика используется для высокочастотных приложений. Ферритовые материалы могут быть спроектированы с широким диапазоном параметров. Как керамика, они по сути являются изоляторами, что предотвращает вихревые токи, хотя потери, такие как потери на гистерезис, все еще могут иметь место.
Катушка, не содержащая магнитного сердечника, называется воздушной . Сюда входят катушки, намотанные на пластиковую или керамическую форму, в дополнение к катушкам, изготовленным из жесткой проволоки, которые являются самонесущими и имеют воздух внутри. Катушки с воздушным сердечником, как правило, 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 допускает более высокий коэффициент добротности , поэтому катушки с воздушным сердечником используются в высокочастотных резонансных цепях , например, до нескольких мегагерц. Однако потери, такие как эффект близости и диэлектрические потери, все еще присутствуют. Воздушные сердечники также используются, когда требуются напряженности поля выше примерно 2 Тесла, поскольку они не подвержены насыщению.
.jpg/1280px-Ferrite-R-Core_(7).jpg)
Чаще всего изготавливается из феррита или порошкообразного железа и используется в радиоприемниках , особенно для настройки индуктора . Катушка наматывается вокруг стержня или формы катушки со стержнем внутри. Перемещение стержня внутрь или наружу катушки изменяет поток через катушку и может использоваться для регулировки индуктивности . Часто стержень имеет резьбу , что позволяет производить регулировку отверткой. В радиосхемах после настройки индуктора используется капля воска или смолы , чтобы предотвратить перемещение сердечника.
Наличие сердечника с высокой проницаемостью увеличивает индуктивность , но линии магнитного поля должны по-прежнему проходить через воздух от одного конца стержня до другого. Воздушный путь гарантирует, что индуктор остается линейным . В этом типе индуктора излучение происходит на конце стержня, и электромагнитные помехи могут быть проблемой в некоторых обстоятельствах.
Похож на цилиндрический стержень, но квадратный, редко используется сам по себе. Этот тип сердечника чаще всего встречается в автомобильных катушках зажигания.
U- и C -образные сердечники используются с I- или другим сердечником C- или U- образным, чтобы создать квадратный закрытый сердечник, простейшую форму закрытого сердечника. Обмотки могут быть размещены на одной или обеих ножках сердечника.
E-образные сердечники являются более симметричными решениями для формирования замкнутой магнитной системы. В большинстве случаев электрическая цепь наматывается вокруг центрального стержня, площадь сечения которого в два раза больше площади сечения каждого отдельного внешнего стержня. В сердечниках трехфазных трансформаторов стержни имеют одинаковый размер, и все три стержня намотаны.
Листы подходящего железа, штампованные в форме букв "E" и "I" ( без засечек ) , укладываются так, чтобы "I" располагалась напротив открытого конца "E", образуя трехногую конструкцию. Катушки можно наматывать вокруг любой ножки, но обычно используется центральная ножка. Этот тип сердечника часто используется для силовых трансформаторов, автотрансформаторов и индукторов.
Снова используется для железных сердечников. Подобно использованию "E" и "I" вместе, пара сердечников "E" вмещает более крупный каркас 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 .
Планарный сердечник состоит из двух плоских частей магнитного материала, одна над катушкой, а другая под ней. Обычно он используется с плоской катушкой, которая является частью печатной платы . Такая конструкция отлично подходит для массового производства и позволяет сконструировать мощный трансформатор 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. Используется для индукторов и трансформаторов . Форма сердечника горшка круглая с внутренней полостью, которая почти полностью охватывает катушку. Обычно сердечник горшка сделан из двух половин, которые соединяются вокруг каркаса катушки ( бобины ). Такая конструкция сердечника имеет экранирующий эффект, предотвращая излучение и уменьшая электромагнитные помехи .
Эта конструкция основана на тороиде (такой же формы, как бублик ). Катушка намотана через отверстие в торе и вокруг внешней стороны. Идеальная катушка равномерно распределена по всей окружности тора. Симметрия этой геометрии создает магнитное поле круговых петель внутри сердечника, 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 для приложений, где желательными характеристиками являются: высокая удельная мощность на единицу массы и объема , низкий уровень шума сети и минимальные электромагнитные помехи . Одним из таких приложений является источник питания для аудиоусилителя hi-fi . Главным недостатком, ограничивающим их использование для приложений общего назначения, является присущая им сложность намотки провода через центр тора.
В отличие от разъемного сердечника (сердечник, состоящий из двух элементов, как пара сердечников E ), для автоматизированной намотки тороидального сердечника требуется специализированное оборудование. Тороиды имеют меньше слышимого шума, такого как гул сети, поскольку магнитные силы не оказывают изгибающего момента на сердечник. Сердечник находится только в состоянии сжатия или растяжения, а круглая форма более стабильна механически.
.jpg/1280px-Two_inductors_(437342545).jpg)
Кольцо по своей форме и характеристикам практически идентично тороиду, за исключением того, что индукторы обычно проходят только через центр сердечника, не оборачиваясь вокруг него несколько раз.
Кольцевой сердечник также может состоять из двух отдельных С-образных полусфер, скрепленных вместе в пластиковой оболочке, что позволяет размещать его на готовых кабелях с уже установленными большими разъемами, что предотвращает продевание кабеля через небольшой внутренний диаметр сплошного кольца.
Значение A L конфигурации сердечника часто указывается производителями. Соотношение между индуктивностью и числом A L в линейной части кривой намагничивания определяется следующим образом:
где n — число витков, L — индуктивность (например, в нГн), а A L выражается в индуктивности на виток в квадрате (например, в нГн/n 2 ). [9]
Когда сердечник подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, как это происходит в устройствах, использующих переменный ток, таких как трансформаторы , индукторы , двигатели переменного тока и генераторы переменного тока , часть мощности, которая в идеале передавалась бы через устройство, теряется в сердечнике, рассеивается в виде тепла и иногда шума . Потери в сердечнике обычно называют потерями в железе в отличие от потерь в меди , потерь в обмотках. [10] [11] Потери в железе часто описываются как относящиеся к трем категориям:
Когда магнитное поле через сердечник 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 «цепляются» за дефекты в кристаллической структуре, а затем «щелкают» мимо них, рассеивая энергию в виде тепла. Это называется потерями на гистерезис . Это можно увидеть на графике поля B против поля H для материала, который имеет форму замкнутой петли. Чистая энергия, которая течет в индуктор, выраженная в отношении к характеристике BH сердечника, показана уравнением [12]
Это уравнение показывает, что количество энергии, потерянной в материале за один цикл приложенного поля, пропорционально площади внутри петли гистерезиса . Поскольку энергия, потерянная в каждом цикле, постоянна, потери мощности на гистерезис увеличиваются пропорционально частоте . [13] Окончательное уравнение для потерь мощности на гистерезис: [12]
Если сердечник электропроводен , 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 в сопротивлении материала сердечника. Потери мощности пропорциональны площади петель и обратно пропорциональны удельному сопротивлению материала сердечника. Потери на вихревые токи можно уменьшить, сделав сердечник из тонких пластин , которые имеют изолирующее покрытие, или, в качестве альтернативы, сделав сердечник из магнитного материала с высоким электрическим сопротивлением, такого как феррит . [15] По этой причине большинство магнитных сердечников, предназначенных для применения в преобразователях мощности, используют ферритовые сердечники.
По определению эта категория включает любые потери в дополнение к потерям на вихревые токи и гистерезис. 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 в сердечнике магнитного материала при низких плотностях потока . Уравнение имеет три компонента потерь: гистерезис, остаточный и вихревой ток, [16] [17] [18] и оно задается как
где
Потери в магнитных материалах можно охарактеризовать с помощью коэффициентов Штейнмеца, которые, однако, не учитывают температурную изменчивость. Производители материалов предоставляют данные о потерях в сердечнике в табличной и графической форме для практических условий использования.
