Лекция 3

Тема: Магнитопроводы и сердечники электромагнитных устройств

В лекции рассматриваются вопросы:

1. Основные термины и определения.

2. Магнитопроводы и сердечники электромагнитных устройств.

3. Маркировка основных типов магнитопроводов и сердечников.

4. Перспективы развития технологии изготовления магнитопроводов.

5. Указания по выбору магнитопроводов и сердечников.

Литература

1. Основные термины и определения

Магнитопровод электротехнического изделия (устройства) – магнитная система электротехнического изделия (устройства) или совокупность нескольких ее частей в виде отдельной конструктивной единицы.

Сердечник электротехнического изделия (устройства) – ферромагнитная деталь, на которой или вокруг которой расположена обмотка электротехнического изделия (устройства).

Магнитный стержень электротехнического изделия (устройства) – сердечник электротехнического изделия (устройства), имеющий форму призмы или цилиндра.

Электротехническое изделие (устройство) – изделие (устройство), предназначенное для производства, преобразования, распределения, передачи и использования электрической энергии или для ограничения возможности ее передачи.

Магнитная цепь – совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны при помощи понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока, магнитных потенциалов.

Индуктивная катушка – элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности.

Ярмо электротехнического изделия (устройства) – часть магнитной системы электротехнического изделия (устройства), на которой или вокруг которой обмотка не расположена.

2. Магнитопроводы и сердечники электромагнитных устройств

Сердечник – это изделие из ферромагнитного материала. Совместно с обмотками сердечники широко используются в устройствах промышленной электроники, автоматики, измерительной, вычислительной техники: трансформаторах, дросселях, реакторах, элементах магнитной памяти и т.д.

Основное назначение магнитопровода и сердечника – быть путем, по которому замыкается магнитный поток. Сердечник также является конструктивным элементом, на котором размещается обмотка.

По конструктивному исполнению сердечники (магнитопроводы) делят на три основных типа (рисунок 1):

• стержневые;

• броневые;

• тороидальные (кольцевые).

Броневой магнитопровод получил такое название потому, что железо как броней механически защищает обмотки, расположенные на среднем стержне.

Рисунок 1 Виды сердечников

Все магнитопроводы должны иметь:

• высокую магнитную проницаемость;

• незначительную коэрцитивную силу;

• стабильные магнитные характеристики в рабочем диапазоне температур и во времени;

• минимальные потери на гистерезис, рассеивание и вихревые токи;

• устойчивость к посторонним механическим воздействиям.

Достоинствами стержневых магнитопроводов являются:

• простота технологии намотки;

• сравнительно высокая степень симметрии обмоток;

• более высокая устойчивость по сравнению с броневыми магнитопроводами в отношении внешних полей и наводок;

• малые индуктивности рассеяния и емкости;

• меньший расход меди.

Изделия со стержневыми магнитопроводами по сравнению с броневыми (при прочих равных условиях) создают значительно меньшее внешнее поле. Это позволяет располагать их ближе друг к другу, не опасаясь магнитной связи. Высоковольтные электромагнитные устройства предпочтительнее выполнять на сердечниках стержневого типа.

Изделия с тороидальными магнитопроводами обладают следующими преимуществами:

• наилучшим использованием материала, обусловленным высокой магнитной проницаемостью;

• наибольшей устойчивостью к внешним электромагнитным воздействиям;

• возможностью одновременного снижения индуктивности рассеяния и собственной емкости (при чередующихся секциях) с увеличением числа секций;

• практически полным отсутствием внешнего поля рассеяния при условии достаточно большого числа чередующихся секций или равномерным распределением обмоток по всей окружности магнитопровода.

К числу основных недостатков тороидальных магнитопроводов относятся:

• сложность технологии намотки;

• высокая стоимость изготовления электромагнитных сборочных единиц;

• существенное снижение магнитной проницаемости при наличии подмагничивающего поля.

Электромагнитные устройства, выполненные на магнитопроводе броневого типа (например, ШЛ), отличаются следующими основными достоинствами:

• простотой конструкции;

• высокой степенью заполнения окна магнитопровода обмоточным проводом;

• частичной защитой обмотки магнитопроводом от механических воздействий;

• простотой изготовления (одна катушка).

К недостаткам изделий с броневым магнитопроводом можно отнести:

• относительно большие индуктивности рассеяния и значения собственной емкости;

• большую чувствительность к внешним электромагнитным воздействиям;

• малую степень симметрии обмоток;

• относительно большой расход провода (увеличенный диаметр среднего витка).

В зависимости от вида магнитного материала (лист, лента, проволока, полоса, литье, порошок и т.д.), практически определяющего технологию производства, магнитопроводы классифицируются на (Рисунок 2):

• пластинчатые (рисунок 2, а, б);

• ленточные (рисунок 2, в) ;

• прессованные (литые, рисунок 2, а).

Рисунок 2

Пластинчатые магнитопроводы и сердечники собираются из отдельных пластин встык или внахлест. Сборка определяет взаимную ориентацию пластин и тип исполнения 1 и 2.

Пластины магнитопроводов изготовляются, как правило, методом безотходной штамповки из листовой или ленточной электротехнической стали и других видов электромагнитных материалов, покрытых оксидной пленкой или слоем изоляционного лака для уменьшения потерь на вихревые токи. При штамповке значительно ухудшаются электромагнитные свойства сталей: уменьшается магнитная проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила. Для их восстановления применяется предварительный отжиг, вызывающий рекристаллизацию материала.

При сборке встык все пластины составляются вместе и собираются одинаково. Магнитопровод состоит из двух частей, которые соединяются вместе. Это облегчает сборку и разборку трансформатора или другого элемента и позволяет получить воздушные зазоры, необходимые для нормальной работы, например, дросселя низкой частоты. Но при такой сборке требуются достаточно мощные крепежные детали, чтобы обеспечить необходимую механическую прочность всей конструкции.

При сборке внахлест пластины чередуются так, чтобы у соседних пластин разрезы были с разных сторон. При этом уменьшается магнитное сопротивление магнитопровода, обеспечивается механическая прочность, но увеличивается трудоемкость сборки электромагнитного устройства.

В случае тонкого магнитного материала удобнее и дешевле оказываются «витые сердечники», навиваемые из стальной ленты необходимой толщины. Их часто называют ленточными.

Ленточные магнитопроводы и сердечники применяются в различных электромагнитных устройствах РЭА и АСС промышленного и бытового назначения. Наиболее часто ленточные магнитопроводы применяются в однофазных трансформаторах, дросселях фильтров, дросселях насыщения, многофункциональных электронно-магнитных трансформаторах и в других элементах аппаратуры. Ленточные магнитопроводы стали наиболее распространенной в последнее время конструкцией сердечника для трансформаторов питания. Это объясняется тем, что наборные сердечники неудобны с технологической точки зрения.

При изготовлении разрезных ленточных магнитопроводов разрезание является одной из ответственных операций, отклонение режимов которой может привести к появлению короткозамкнутых витков и потерям на вихревые токи. Разрезание магнитопроводов осуществляется различными способами: фрезерованием, абразивным кругом, электроискровой обработкой.

Ленточная конструкция наряду с лучшим использованием материала дает возможность применять тонкие магнитные материалы. В связи с этим в миниатюрных трансформаторах широкое распространение получили ленточные сердечники с уширенным ярмом, сердечники кабельного типа, сердечники с распределенным зазором (рисунок 3).

Рисунок 3

Рисунок 4

Пластинчатые и ленточные магнитопроводы представлены на рисунке 4. Верхний ряд – пластинчатые магнитопроводы: а) стержневой; б)броневой; в) тороидальный (кольцевой). Средний ряд – ленточные магнитопроводы: а) стержневой; б) броневой с горизонтальным разрезом; в) броневой с вертикальным разрезом; г) тороидальный (кольцевой). Нижний ряд - магнитопроводы и сердечники с немагнитным зазором: а) пластинчатый стержневой; б) пластинчатый броневой; в) ленточный броневой; г) ленточный тороидальный (кольцевой).

Прессованные (литые) магнитопроводы и сердечники имеют сложный технологический процесс и носят такое название чисто условно. Область применения изделий из ферритов и магнитодиэлектриков чрезвычайно широка.

Они используются:

• в качестве магнитных экранов;

• в качестве антенн;

• в трансформаторах;

• в катушках индуктивности;

• в магнитных усилителях;

• в якорях реле;

• в элементах измерительных и силовых устройств;

• в магнитных цепях электрических машин;

• в быстродействующих запоминающих устройствах;

• в дросселях и т.д.

Точность размеров, формы и качество поверхности формовочных магнитопроводов обеспечивается формовочным прессованием. Магнитные характеристики формованных магнитопроводов обеспечиваются качеством порошка магнитного материала и материала диэлектрической связи.

При проектировании формованных магнитопроводов необходимо учитывать следующие рекомендации:

• магнитопроводы должны обладать равномерной толщиной стенок, так как процесс формования сопровождается значительной усадкой, приводящей к короблению и растрескиванию деталей;

• толщина стенок должна быть не менее 1 мм. При незначительной разностенности магнитопроводов в процессе формования получают более равномерную плотность;

• стенки магнитопроводов, расположенные в направлении прессования, выполняют с технологическими уклонами, облегчающими извлечение детали из пресс-формы;

• магнитопроводы следует выполнять без острых переходов, которые могут привести к растрескиванию детали. Закругления способствуют повышению механической прочности магнитопроводов, облегчают течение формовочной смеси в пресс-форме и увеличивают ее стойкость. Радиус закругления должен быть не менее 0,2 мм.

Все магнитопроводы подвергают следующим видам контроля качества:

• контроль геометрических размеров;

• контроль внешнего вида;

• контроль маркировки;

• контроль массы;

• контроль магнитных характеристик (магнитной проницаемости и относительного тангенса угла магнитных потерь).

Магнитопроводы и сердечники из ферритов и магнитодиэлектриков:

Остановимся более подробно на магнитомягких ферритах. Они способны работать в очень широком диапазоне частот (от сотен Гц до сотен кГц) и температур (от -60°С до 150°С и более). Это делает их очень перспективными для применения в силовых трансформаторах высокочастотных преобразователей. Ферриты имеют, как было сказано выше, большое удельное сопротивление и, следовательно, пренебрежимо малые потери на вихревые токи. Однако потери на перемагничивание (гистерезис) и потери, связанные с «вязкостью» материала, значительны и могут достигать 3…5%. Поэтому КПД трансформаторов обычно лежит в пределах 0,95…0,97.

Остаточная индукция В_r в сильных полях (свыше В_s) может составлять 0,3…0,6 индукции насыщения В_s.

Точка Кюри выбираемого феррита должна превышать максимальную рабочую температуру не менее чем на 30…40°С.

Ферритовые сердечники для трансформаторов и дросселей выпускаются в трех основных видах: кольцевые (рисунок 5, а), броневые чашечные (рисунок 5, б), броневые Ш-образные (рисунок 5, в). На рисунке 5 броневые сердечники показаны в собранном виде, состоящими из двух частей.

Рисунок 5

В таблице 1 приведены основные виды магнитопроводов и сердечников с названиями согласно и отечественной и зарубежной терминологии.

Эти типы освоены отечественной промышленностью, налажено их массовое производство.

Таблица 1

Следует отметить, что кольцевые магнитопроводы имеют ряд достоинств, а именно:

• большое обмоточное пространство для размещения обмоток;

• создают малый уровень электромагнитного излучения, по сравнению с броневыми, но из-за несимметричной намотки может все-таки потребоваться экранирование;

• обеспечивается наибольшая магнитная проницаемость, близкая к магнитной проницаемости материала;

• простота увеличения типоразмера путем склеивания по высоте нескольких сердечников;

• очень малая индуктивность рассеяния;

• хороший теплоотвод от обмоток из-за большой поверхности охлаждения.

Броневые сердечники предпочтительнее в тех случаях, когда появляется необходимость введения в сердечник зазора. Магнитные свойства ферритового броневого сердечника (в первую очередь магнитная проницаемость) достаточно высоки, поскольку сердечник имеет большой запас по объему магнитного материала. Благодаря этому такой сердечник имеет более мягкий переход от линейной области кривой намагничивания к области насыщения.

Иногда зазор делается не по всему сечению сердечника, что позволяет улучшить свойства сердечника в более широком диапазоне нагрузок.

Броневой сердечник (рисунок 5, б) является хорошим магнитным экраном для обмоток, находящихся внутри него, т.к. максимальное значение индукции В_m достигается лишь в центральном сечении. Сердечники этого типа удобно крепить к радиатору. Такие магнитопроводы чаще всего применяются в случаях, когда требуется:

• высокая добротность в заданной полосе;

• возможность регулировать индуктивность;

• обеспечение малого коэффициента вносимых нелинейных искажений;

• высокая устойчивость к механическим и климатическим воздействиям;

• отсутствие полей рассеяния;

• хороший теплоотвод от сердечника.

Сердечники из ферритов подразделяются на 6 классификационных подгрупп:

Например, I подгруппа – изделия, применение которых основывается на свойстве феррита увеличивать проницаемость магнитных цепей, изделия из магнитомягких марганцово – цинковых ферритов; III подгруппа – изделия, применение которых основывается на прямоугольности петли гистерезиса, - изделия из ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса.

Изделия из магнитодиэлектриков также делятся на подгруппы:

I подгруппа – изделия из порошкообразного альсифера;

II подгруппа – изделия из порошкообразного карбонильного железа;

III – подгруппа – изделия из порошкообразного пермаллоя.

В магнитных элементах вычислительной техники очень большое разнообразие сердечников в зависимости от типа и назначения магнитного устройства.

Одно из важнейших требований, предъявляемых к форме и конструкции сердечника, - сохранение для сердечника магнитных свойств, присущих применяемому магнитному материалу, например, высокой степени нелинейности кривой намагничивания или прямоугольной петли гистерезиса и т.п.

Кроме того, предъявляется ряд технологических и технико-экономических требований. Форма и конструкция сердечника должны обеспечивать низкую себестоимость и технологичность всего изделия, возможность получения оптимальных и стабильных характеристик.

Разные типы сердечников, применяемых в магнитных элементах вычислительной техники, приведены на рисунке 5.

Магнитные свойства материала сохраняются лучше всего в кольцевых (тороидальных) сердечниках (рисунок 5,а), у которых отсутствует рассеяние магнитного потока во внешнее пространство, относительно низка чувствительность к влиянию посторонних внешних полей и более равномерное намагничивание всего сердечника.

Сердечники с воздушным зазором (рисунок 5, б, в) обладают свойствами снижать остаточную намагниченность и позволяют приближать режим перемагничивания к идеальному (безгистерезисному). Их применяют в качестве сердечников магнитных головок запоминающих устройств (ЗУ) с подвижным носителем.

Многодырочные сердечники с отверстиями, находящимися в одной плоскости (рисунок 5, г, д), и многоконтурные системы (рисунок 5, е), представляющие собой разветвленные магнитопроводы, позволяют получать новые магнитные характеристики. Первые наиболее удобны для создания различных устройств магнитной памяти с неразрушаемым считыванием. Вторые используют для построения магнитных логических и переключающих устройств, основанных на принципе «коммутации магнитного потока». Их называют магнитными интегральными схемами.

Рисунок 5

Многоотверстные пластины (рисунок 5, ж) из ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса позволяют строить более надежные, дешевые и малогабаритные ЗУ, чем с использованием отдельных кольцевых сердечников.

Для устранения трансформаторной связи между отдельными обмотками, расположенными на магнитном сердечнике, а также для увеличения быстродействия, улучшения надежности и других параметров осуществляют перемагничивание сердечника взаимно перпендикулярными полями. С этой целью используют либо объемные сердечники (рисунок 5, з – параллелепипед с двумя взаимно перпендикулярными прямоугольными отверстиями; рисунок 5, и – сердечник с диаметрально противоположными, лежащими в разных плоскостях отверстиями), либо тонкие магнитные пленки плоской (рисунок 5, к) или цилиндрической конструкции (рисунок 5, л) на немагнитных подложках (основаниях).