Магнитопроводы моточных изделий выбирают в соответствии с целесообразностью для конкретного применения. Так, в аппаратуре широкого применения (плеерах, телевизорах, магнитофонах и т.п.) критерием оптимальности может выступать минимальная стоимость магнитопровода и обмоточного провода, экономичность в производстве. В метеорологических зондах, в самолетах и других летательных аппаратах критерий оптимальности может заключаться в получении моточных компонентов минимальной массы. В специальной аппаратуре критерием оптимальности может быть специфический показатель. Например, к изделию, функционирующему в роботе при воздействии проникающей радиации, может быть предъявлено основное требование высокой радиационной стойкости.
Тороидальные (ring core) трансформаторы без зазора позволяют получить высокую индуктивность обмоток при малых расходах материала магнитопровода и небольших габаритах изделия, что является достоинством. Кроме того, тороидальные трансформаторы без зазора во время работы устройств создают очень малые поля рассеяния, в результате чего их целесообразно использовать в чувствительной к наводкам аппаратуре. Недостаток тороидальных трансформаторов заключается в трудоемкости изготовления и, как следствие, — низкой технологичности, что повышает стоимость производства моточного изделия. Наружная обмотка тороидального трансформатора может быть защищена от повреждений, например, слоем покровной изоляции.
Ring core
Тороидальные (TN core) магнитопроводы с зазором, как и тороидальные магнитопроводы без зазора, позволяют выполнять моточные компоненты небольших габаритов, израсходовав минимум материалов. Однако поля рассеяния тороидальных магнитопроводов с зазором несколько больше, чем тороидальных магнитопроводов без зазора.
Тороидальный (TN core) магнитопровод с зазором
Чашечный (pot core) магнитопровод
Чашечные (pot core) или, как их еще называют, горшкообразные магнитопроводы хороши для слаботочных, сигнальных цепей. Как и тороидальные магнитопроводы, они обладают небольшими полями рассеяния, благодаря экранированию обмотки сердечником, если боковые стенки не имеют существенного немагнитного зазора, однако поля рассеяния тороидальных магнитопроводов без зазора обычно меньше. Кроме того, чашечный сердечник защищает обмотки от механических повреждений. Чашечные магнитопроводы технологичны, в производстве выполненные на них моточные компоненты дешевле тороидальных. Некоторые чашечные магнитопроводы имеют подстроечник, благодаря чему можно, не разбирая моточный компонент, изменять индуктивность обмоток. Недостатком чашечных сердечников является больший объем и большее количество материала магнитопровода относительно тороидальных магнитопроводов.
Моточные компоненты с Ш-образными магнитопроводами технологичны, однако обычно имеют большие поля рассеяния по сравнению с компонентами с тороидальными или чашечными сердечниками. В Ш-образных сердечниках можно без сложностей организовать немагнитный зазор. Часть обмотки закрыта Ш-образным магнитопроводом, что защищает ее от механических повреждений.
Ш-образный магнитопровод
Для того чтобы уменьшить поля рассеяния Ш-образных магнитопроводов, часто все три керна охватывают одним витком медной или латунной ленты, у которой спаивают начало и конец. Центральные керны Ш-образных магнитопроводов, на которых размещают обмотки, могут обладать круглым (ETD core) или прямоугольным сечениями (Е core).
Обмотки располагают на диэлектрических гильзах, которые повторяют сечения магнитопроводов. При укладке одного и того же числа витков на гильзу Ш-образно-го магнитопровода с круглым керном требуется меньшая длина обмоточных проводов, чем при укладке обмоток на гильзу Ш-образного магнитопровода с прямоугольным керном такой же площади сечения. При укладке первых слоев обмоток на острые грани гильзы Ш-образного магнитопровода с прямоугольным керном следует следить за состоянием изоляционного покрытия провода диаметром примерно от 0,5 мм и более, поскольку от перегиба оно может быть повреждено. Кроме того, обычно обмотки Ш-образных магнитопроводов с круглым керном могут быть уложены на гильзу более плотно, чем на прямоугольную гильзу.
П-образные (U core) стержневые сердечники более технологичны, чем тороидальные. По сравнению с тороидальными моточными компонентами, изделия с П-образными сердечниками обладают большими полями рассеяния, что является недостатком. Обмотки, закрывающие (и экранирующие) места соединения U-образных половинок магнитопровода, как правило, располагают на обоих стержнях.
П-образный (U core) магнитопровод
Моточные компоненты, выполненные на стержневых сердечниках в виде прутов с круглыми (rot core) или прямоугольными (plate core) сечениями, обычно обладают высокой технологичностью, но характеризуются очень большими полями рассеяний.
Компании-производители выпускают гораздо более широкий сортамент магнитопроводов. Описывать все разновидности сердечников нецелесообразно, поскольку для этого существуют справочники и проспекты фирм-производителей.
Потери в магнитопроводах компонентов, работающих на низких частотах. Токи Фуко
Впервые в 1824 году вихревые токи обнаружил французский ученый Доминик Франсуа Араго (Arago Dominique Francois), а исследование этих токов провел другой французский физик: Жан Бернар Леон Фуко (Jean Bernard Léon Foucault). Именно в честь последнего вихревые токи называют токами Фуко.
Переменное электромагнитное поле наводит токи Фуко в любом электропроводящем материале. Эти токи протекают по замкнутым кольцевым траекториям в таком направлении, в котором они оказывают наибольшее противодействие причине их возникновения. Чем меньше сопротивление материала и чем больше скорость изменения магнитного потока, тем большей величины могут быть токи Фуко, а чем больше токи Фуко, тем больше оказываемое ими тепловое действие. В печах индукционного нагрева металл расплавляют благодаря тепловому действию токов Фуко. В магнитопроводах и в обмоточных проводах токи Фуко стараются по возможности уменьшить.
Вихревой ток в магнитопроводах, выполненных из пластин или лент, можно найти по формуле:
где U — напряжение, приложенное к обмотке, В;
Lср.л— длина средней линии магнитопровода, см;
Sc — площадь сечения, см2;
W — число витков обмотки;
δл — толщина ленты или пластины, см;
ρ — удельное сопротивление металла магнитопровода, Ом · см.
Магнитопроводы компонентов, работающих на низких частотах в десятки герц, часто выполняют из пермаллоев или трансформаторных сталей. Если бы магнитопровод был сплошным, то токи Фуко в нем были бы велики, в магнитопроводе выделялось бы много тепла, которое могло бы привести к выходу моточного компонента из строя от перегрева.
Маломощный низкочастотный трансформатор
Для значительного ослабления пагубного влияния токов Фуко магнитопровод выполняют не сплошным, а из набора тонких электрически изолированных друг от друга пластин или ленты. Пластины обычно имеют Ш-образную форму, а при надевании таких пластин на катушку их обычно укладывают в перекрышку.
Металлические ленты обычно навивают по форме кольца для создания тороидального магнитопровода. Для удобства надевания катушки с обмотками это «кольцо» может быть рассечено на две части, и тогда такой магнитопровод называют разрезным.
Изоляция может быть образована слоем окисла или лака. Толщина пластин или ленты для компонентов, работающих на частоте бытовой сети 50 Гц, составляет обычно 0,3..0,4 мм, для компонентов, работающих на частоте 400 Гц — 0,05..0,1 мм, а для компонентов, работающих на частоте 1 кГц — 0,02..0,05 мм. Чем выше частота, тем тоньше должна быть толщина металла, однако изготовить пластины или ленты толщиной менее 0,02 мм крайне затруднительно, поэтому для изготовления моточных компонентов, работающих на более высоких частотах, металлические магнитопроводы не используют.
Потери в магнитопроводах компонентов, работающих на высоких частотах. Магнитная вязкость
В моточных изделиях, работающих на высокой частоте, можно наблюдать спад эффективной проницаемости и магнитной индукции в процессе перемагничивания сердечника, что происходит вследствие магнитной вязкости. Магнитной вязкостью, или, говоря по-другому, магнитным последействием называют запаздывание изменения магнитной индукции при изменении напряженности поля. В результате проявлений магнитной вязкости ухудшаются магнитные параметры феррита при прохождении высокочастотных или импульсных токов через обмотку компонента. Возвращение к исходному состоянию зависит от материала магнитопровода и для одних материалов длительность релаксации составляет сотни пикосекунд, а для других — несколько часов.
Магнитной релаксацией применительно к ферритам называют процесс, в результате которого возникает термодинамическое равновесие в веществе, благодаря установлению равновесия между спинами электронов и кристаллической решеткой. При механическом воздействии на феррит скорость изменения индукции может быть значительно выше, и магнитная вязкость может быть меньше, чем при отсутствии сдавливания.
Высокочастотные трансформаторы применяемые в импульсных источниках питания
Подытоживая, следует подчеркнуть, что магнитная индукция и проницаемость ферритов магнитопроводов в импульсных источниках питания в результате магнитной вязкости снижается, что обязательно необходимо учесть, введя запас по указанным параметрам во время проведения расчетов трансформаторов и дросселей.
