tranzistornaya_preobrazovatelnaya_tehnika

Ðèñ. 3.16. Удельные потери в сердечниках из аморфного железа с распределенным зазором:

à — m = 245; á — m = 270.

В (3.3.1) и (3.3.2) размерность Â~ — Òë, f — êÃö.

Проницаемость аморфного железа с распределенным зазором слабо снижается с ростом частоты: при частоте 1 МГц проницаемость составляет 98% от первона- чальной, измеренной на постоянном токе.

С повышением температуры проницаемость возрастает, увеличиваясь примерно на 15% при 100°С по сравнению с проницаемостью при 20°С.

Разрезным сердечникам стержневого типа (С- или U-типа), которые выполняются из аморфного сплава, свойственна прямоугольная форма кривой перемагни- чивания с индукцией насыщения около 1,56 Тл. Отжиг в продольном магнитном поле обеспечивает лучшую прямоугольность петли при малом значении коэрцитивной силы Íñ » 3 А/м. При отжиге без магнитного поля прямоугольность петли гистерезиса составляет примерно 80%, а коэрцитивная сила — около 8 А/м.

Толщина ленты определяет условия работы трансформатора или дросселя — меньшая толщина позволяет вести работу на более высокой частоте. Из зарубежных материалов широко известна марка Microsil — электротехническая сталь, содержащая 97% железа и 3% кремния. Магнитные свойства обеспечиваются структурой материала, выполняемой с учетом направления навивки ленты. Высокая индукция насыщения (до 1,8 Тл), возможность введения легко регулируемого воздушного зазора позволяют создавать компактные трансформаторы и дроссели, работающие на частотах 50...400 Гц. Отечественными аналогами Microsil являются электротехнические стали Э411, Э412, 3421, 3422 [10].

На частотах свыше 1 кГц применяется электротехническая сталь с толщиной ленты 25...50 мкм, а также сплавы с уменьшенными удельными потерями, содержащие большой процент никеля (от 50 до 80%) и железо. Бульшие частоты работы требуют меньшей толщины ленты, которая у никелевых сплавов составляет от 25 до 100 мкм.

Приведем примеры характеристик ленточных разрезных сердечников. На рис. 3.25 показана зависимость максимальной индукции в сердечнике от удельных потерь при разных частотах для материала Microsil при толщине ленты 25,4 мкм. Аналогичные кривые показаны на рис. 3.26 для никелевого сплава Superperm 80

70 Глава 3. Магнитные материалы и сердечники

(80% никеля) при толщине ленты 25,4 мкм. Последний рисунок показывает явную выигрышность никелевого сплава по сравнению с электротехнической сталью при работе на частотах десятки килогерц.

3.5. Ферриты

Существует большое разнообразие форм и типоразмеров выпускаемых ферритовых сердечников. Большинство ферритовых материалов — это окислы металлов, например железа, в их состав входит также марганец и цинк. Окислы выполняют роль изолятора, поэтому ферриты имеют большее удельное сопротивление, чем магнитные сплавы. Как следствие этого, ферриты в преобразовательных устройствах могут работать на значительно более высоких частотах, включая мегагерцовый диапазон.

Компоненты, входящие в состав феррита, смешиваются и спекаются. После этого происходит перемалывание частиц, они становятся однородными. Затем происходит прессование материала, и в результате достигается желаемая форма сердечника. Сердечники, выпускаемые по экологически чистой технологии, спекаются в других условиях — в печи, с контролируемым режимом. После спекания сердечники представляют собой твердую керамику, поэтому дальнейшие технологические операции шлифовки выполняются инструментом, использующим алмазные включения. Сердечники, подлежащие сборке, такие как чашечные сердечники (pot), или имеющие Е-, U- или I-формы, должны иметь соприкасающиеся поверхности идеально сошлифованными для минимизации получающегося воздушного зазора. Современные кольцевые сердечники помещаются в специальный барабан, где происходит обработка острых краев сердечника, затрудняющих намотку.

Электрические характеристики ферритов существенно отличаются от металлических и порошковых материалов. Индукция насыщения ферритов примерно втрое меньше аналогичного параметра металлических сердечников. При температурах свыше 150°С магнитные характеристики ферритов заметно ухудшаются. С другой стороны, у ферритов намного меньше потери при высоких частотах, чем у сплавов.

Ферриты, содержащие никель (взамен марганца), могут работать вплоть до 10 МГц, однако они значительно уступают марганцевым ферритам по индукции насыщения.

Очень упрощенно ферриты, применяемые в преобразовательной технике, можно разделить по их назначению:

·сердечники трансформаторов и дросселей;

·сердечники фильтров защиты от электромагнитных помех.

В первом случае к ферритам предъявляются требования по индукции насыщения (она составляет 0,3...0,5 Тл) и минимальным потерям при заданной частоте. Во втором главное требование к ферритам — высокая магнитная проницаемость (относительная проницаемость 5000...15 000, что значительно превышает проницаемость 1500...3000 для ферритов, используемых в трансформаторах и дросселях).

Как уже говорилось, ферритовые сердечники выполняются в большом разнообразии форм. Каждая имеет определенные преимущества, которые делают сердеч- ник той или иной формы наилучшим в определенных условиях. Например, стоимость сердечников типа ЕТД (две половины сердечника, каркас, зажимы) является довольно высокой по сравнению с кольцевыми сердечниками; сравнение же по технологичности намотки могут выигрывать сердечники ЕТД, а не кольцевые. При выборе формы сердечника приходится рассматривать такие факторы, как эффективность отвода тепла, необходимость экранирования и другие.

3.6. Порошковые материалы

Рассматриваемые в данном параграфе материалы используются в сердечниках трансформаторов, а также различных дросселей, работающих на постоянном или переменном токе, во входных или выходных цепях преобразователей. Современные порошковые материалы и сердечники на их основе по своим свойствам делятся на четыре группы:

1)порошковое железо (Iron Powder);

2)Мо-пермаллой (Molypermalloy Powder — ÌÐÐ);

3)материал, основанный на сплаве железа и никеля (High Flux);

4)материал, основанный на сплаве алюминия с железом (Kool Mm, другое обозначение Sendust).

3.6.1. Порошковое распыленное железо

Распределенный воздушный зазор свойственен порошковому распыленному железу (ПРЖ), что делает сердечники, выполняемые из данного материала, весьма подходящими для разнообразных применений, где требуются дроссели с различной запасаемой энергией. Отличительная особенность данного материала — его удач- ное соотношение «цена—качество».

Этот материал является достаточно дешевым по сравнению с другими магнитными материалами. ПРЖ может использоваться взамен ферритов или ленточных сердечников, там, где требуется воздушный зазор.

ПРЖ наиболее часто используется в выходных дросселях постоянного тока, дросселях корректоров коэффициента мощности (ККМ), трансформаторах обратноходовых преобразователей, дросселях переменного тока с небольшой запасаемой энергией, дросселях фильтров защиты от радиопомех, работающих против симметричной составляющей помехи.

Распределенный зазор в материале позволяет создавать сердечники с различ- ной проницаемостью. Выпускаются сердечники различной конфигурации (кольцевые, Е-, U-образные и другие) при 12 значениях относительной проницаемости — от 10 до 100. ПРЖ материалы имеют индукцию насыщения от 1 до 1,4 Тл в зависимости от проницаемости. Остаточная индукция составляет 0,03...0,15 Тл при коэрцитивной силе от 280 до 730 А/м. Эти данные относятся к низкочастотному перемагничиванию сердечников (50 Гц...10 кГц).

Особенностью ПРЖ является температурное старение, которое заключается в возрастании потерь в сердечнике при длительном воздействии повышенной температуры.

Необратимое возрастание потерь в сердечнике, вызываемое температурным старением, зависит от многих факторов: времени, окружающей температуры, скорости воздушного потока, формы и размеров сердечника, рабочей частоты и переменной составляющей индукции. Составляющая потерь, определяемая вихревыми токами в сердечнике, наиболее подвержена изменению при температурном старении. Для разработчика важно, чтобы потери в сердечнике ПРЖ не были бы преобладающими в общем балансе потерь трансформатора или дросселя. На рис. 3.27 (данные компании Micrometals) показаны кривые изменения потерь в дросселях с сердечниками из ПРЖ в зависимости от времени работы при различных значениях температуры дросселя. Из рис. 3.27 видно, что сердечник Т106-52, работающий при переменной индукции 0,067 Тл и температуре 150°С (намного превышающей окружающую), имеет заметное увеличение потерь уже после тысячи часов работы. В том же сердечнике, работающем при сниженной индукции 0,0305 Тл и максимальной температуре 100°С, не изменяются потери от времени. Увеличение размеров сердечника (сердечник Т130-8/90) позволило снизить значение индукции в