Меню

Материал сердечника электромагнита постоянного тока



Принцип работы электромагнита

Электромагнит — устройство и принцип работы

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него.

Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Магнитные поля возникают в случае, когда весь набор электронов металлического объекта начинает вращаться в одинаковом направлении.

В искусственных магнитах это движение обуславливается при помощи электромагнитного поля.

Для постоянных электромагнитов данное явление считается натуральным.

Обмотку для электромагнита выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов. Существуют и сверхпроводящие электромагниты. Магнитный провод делают из магнитно-мягкого материла, чаще всего стали (конструкционной, литой и электротехнической), чугуна и сплавов железа с кобальтом или никелем. Снижение потери на вихревой ток (ВхТ) осуществляется при помощи создания магнитопровода из множества листов.

Общая характеристика

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах.

Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки.

Полярность электромагнита определяют по направлению тока.

Механизм образования включает в себя наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника.

Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

  • применения сердечников из «мягкого» железа;
  • применения больших чисел витков;
  • применения электрического тока в больших размерах.

Электромагниты бывают следующих видов:

  • Нейтральные постоянного тока. В таком устройстве магнитный поток создается посредством постоянного электрического тока, пропущенного через обмотку. А значит, сила притяжения такого электромагнита варьируется в зависимости только от величины тока, а не от его направления в обмотке.
  • Поляризованные постоянного тока. Действие электромагнита подобного рода основано на наличии двух независимых магнитных потоков. Если говорить о поляризующем, то его наличие создается обычно постоянными магнитами (в редких случаях — дополнительными электромагнитами), и нужен он для создания притягивающей силы при выключенной обмотке. А действие такого электромагнита зависит от величины и направления электрического тока, который движется в обмотке.
  • Переменного тока. В таких устройствах катушка электромагнита питается электричеством переменного тока. Соответственно, с определенной периодичностью магнитный поток меняет свое направление и величину. А сила притяжения варьируется лишь по величине, из-за чего она «пульсирует» от минимального до максимального значения с частотой, которая имеет двукратную величину по отношению к частоте питающего ее электрического тока.

Магнитное поле, создаваемое катушкой

Когда электрический ток проходит через обмотки катушек, он ведет себя как электромагнит. Плунжер,находящийся внутри катушки, притягивается к её центру с помощью магнитного потока внутри корпуса катушек, который, в свою очередь, сжимает небольшая пружина прикреплена к одному концу плунжера.

Сила и скорость движения плунжеров определяются силой магнитного потока, генерируемого внутри катушки.

Когда ток питания выключен (обесточен), электромагнитное поле, созданное ранее катушкой, разрушается, и энергия, накопленная в сжатой пружине, заставляет поршень вернуться в исходное положение покоя. Это движение плунжера вперед и назад известно как «ход» соленоидов, другими словами, максимальное расстояние, на которое плунжер может проходить в направлении «вход» или «выход», например, 0–30 мм.

Такой тип соленоида обычно называется линейным соленоидом из-за линейного направленного движения и действия плунжера.

Конструкция линейного соленоида вытяжного типа

Линейные соленоиды полезны во многих устройствах, которые требуют движения открытого или закрытого типа (например, внутри или снаружи), таких как дверные замки с электронным управлением, пневматические или гидравлические регулирующие клапаны, робототехника, управление автомобильным двигателем, ирригационные клапаны для полива сада и даже для дверного звонка. Они доступны как открытая рама, закрытая рама или герметичные трубчатые типы.

Вращательный соленоид

Большинство электромагнитных соленоидов являются линейными устройствами, создающими линейную силу движения или движения вперед и назад. Однако имеются также вращательные соленоиды, которые производят угловое или вращательное движение из нейтрального положения либо по часовой стрелке, против часовой стрелки, либо в обоих направлениях (в двух направлениях).

Вращающиеся соленоиды можно использовать для замены небольших двигателей постоянного тока или шаговых двигателей, если угловое движение очень мало, а угол поворота — это угол, смещенный от начального к конечному положению.

Источник

Основные части электромагнитов постоянного тока

date image2015-06-05
views image6388

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Нейтральные электромагниты постоянного тока обладают наиболее благоприятными характеристиками и наиболее экономичны. Благодаря большому количеству возможных конструктивных исполнений эти электромагниты легко приспосабливать к различным условиям работы и различным конструкциям устройств, в которых они используются. Поэтому они получили наибольшее распространение.

При всем разнообразии встречающихся на практике таких электромагнитов они имеют следующие основные части одинакового назначения (рис. 2.1 — 2.3):

Ø катушку с расположенной на ней намагничивающей обмоткой 1;

Ø неподвижную часть магнитопровода из ферромагнитного материала 2;

Ø подвижную часть магнитопровода — якорь 3.

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода рабочим и паразитным зазорами и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромаг-нитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита и характера воздействия на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока рзделяются на следующие типы:

¨ электромагниты со втягивающимся якорем;

¨ электромагниты с внешним притягивающимся якорем;

¨ электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.

Одна из типичных конструкций электромагнита с втягивающимся якорем показана на рисунок 10.1. Характерной особенностью таких электромагнитов

является то, что якорь или,

Рисунок 10.1. Электромагнит с втягивающимся якорем.

как его в данном случае можно назвать, подвижный сердечник, располагается целиком или частично внутри катушки с обмоткой. В процессе срабатывания электромагнита якорь, перемещаясь поступательно, погружается в катушку. Втягивание якоря происходит как за счет магнитного потока, проходящего через торцовую поверхность якоря, так и за счет действия магнитных потоков, выходящих из его боковой поверхности. На рисунок 10.2 изображена одна из разновидностей электромагнитов с внешним

Рисунок 10.2. Электромагнит с внешним притягивающимся якорем. а — внешний вид реле с электромагнитом с притягивающимся якорем;

б — разрез электромагнита. притягивающимся якорем.

У этих электромагнитов якорь расположен снаружи по отношению к катушке. На него действует главным образом рабочий магнитный поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. В результате этого якорь поворачивается в пределах малого угла или совершает поступательное перемещение в направлении линии индукции рабочего магнитного потока.

Конструкция электромагнита с внешним поперечно движущимся якорем показана на рис. 10.3.

Рисунок 10.3. Электромагнит с внешним поперечно движужимся якорем.

Якорь в подобных электромагнитах располагается снаружи катушки. Рабочий магнитный поток, действующий на якорь, проходит из его боковой поверхности к полюсным наконечникам, имеющим особую форму, определенным об- разом согласованную с формой боковой поверхности якоря. В результате воздействия со стороны рабочего магнитного потока якорь движется поперек магнитных линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол.

В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов потоянного тока в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, определяемых конструкцией магнитной цепи. Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки электромагнита различают:

¨ электромагниты с оботками параллельного включения;

¨ электромагниты с обмотками поледовательного включения.

В первом случае обмотка выолняется таким образом, что ее включают на полное наряжение источника питания непосредственно или через неоторое добавочное сопротивление. Ток в цепи обмотки параллельного включения полностью или, во всяком случае в значительной степени определяется ее параметрами. Обмотка последовательного включения практически не влияет на величину тока той цепи, куда она включается. Последний определяется параметрами остальных элементов этой цепи. Благодаря этим особенностям некоторые характеристики электромагнитов параллельного и последовательного включения и в первую очередь их динамические характеристики оказываются различными.

б) Основные части электромагнитов переменного тока.

Характеристики и конструкция таких электромагнитов имеют коренные отличия по сравнению с электромагнитами постоянного тока,

Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически меняется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоен- ной частотой по отношению к частоте питающего тока’.

Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях — к прямому нарушению нормальной работы.

Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к специальным мерам для уменьшения глубины пульсации силы.

Основным способом уменьшения пульсации суммарной силы, действующей на якорь электромагнита с переменным магнитным потоком, является применение магнитных систем с расщепленными путями магнитного по- тока, по каждому из которых проходят переменные магнитные потоки, сдвинутые по фазе относительно друг друга.

Читайте также:  Максимальная пульсация постоянного тока

Пpи всем разнообразии встречающихся на практике тяговых электромагнитов они состоят из следующих основных частей одинакового назначения (рис. 10-4).

1 — катушка с расположенной на ней намагничиваю- щей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток);

2 — неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (основание и сердечник);

3 — подвижная часть магнитопровода (якорь).

Рисунок 10.4: а) эскиз электромагнита с внешним б) эскиз электромагнита с притягивающимся якорем. в) втягивающимся частично якорем

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилие в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными.

Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты

¨ с внешним притягивающимся якорем (рисунок 10.5 а),

¨ электромагниты с втягивающимся якорем (рисунок 10.4 б)

¨ электромагниты с поперечно движущимся якорем.

Последняя система в электромагнитах переменного тока практически не применяется. Зато во многих случаях применяются конструкции с якорем, имеющим черты как втягивающегося, так и внешнего притягивающегося (рисунок 10.4 в)

Формы конструктивного выполнения электромагнитов переменного тока ограничены из-за необходимости выполнять их магнитопроводы шихтованными из тонких листов электротехнической стали. Последнее диктуется стремлением свести к минимуму потери на вихревые токи. С этой же целью, а также для уменьшения потерь на гистерезис приходится применять специальные технологические приемы при изготовлении электромагнитов, что в свою очередь также сказывается на их конструкции.

Электромагниты различают также по ряду других признаков:

v по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками;

v по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах;

v по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия и т. д.

Магнитные материалы и их характеристики. Применение в электромагнитах.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов применяют- ся магнитно-мягкие материалы. Они характеризуются высокой проницаемостью в слабых и средних полях и низкой коэрцитивной силой. Для них, как впрочем и для всех ферромагнитных материалов, характерным является зависимость намагниченности от температуры и наличие определенной температуры (точка Кюри) в пределах твердого состояния, при которой материал становится немагнитным.

а) Характеристика магнитного состояния.Для ферромагнитных материалов связь между магнитной индукцией и напряженностью поля не является однозначной. Она зависит от предыдущего магнитного со стояния и определяется точка- ми, находящимися внутри предельной петли магнитного гистерезиса (рисунок 10.5).

Рисунок 10.5 — Петли магнитного гистерезиса

Если в первоначально размагниченном образце увеличивать напряженность по- ля, то индукции будет возрастать по кривой первоначального намагничивания (кривая 1, рисунок 10.5). При циклическом изменении напряженности поля между равными по величине положительными и отрицательными значениями Н индукция будет следовать так называемым симметричным или основным петля магнитного гистерезиса, конфигуация которых для данного — материала определяется пределами изменения напряженности поля.

Кривая, идущая от начала координат и соединяющая вершины основных петель, Рисунок 10.5. Петли магнитного гисерезиса ферромагнитного материала называется основной или коммутационной — кривой намагничивания (кривая 2 рисунок 10.5).

В электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, происходит непрерывное циклическое перемагничивание. Поэтому магнитное состояние их магнитопровода определяет именно ком- мутационная кривая намагничивания, причем небезразлично, каким образом эта кривая снята: коммутационным методом на постоянном токе или на переменном. При расчетах тех или иных магнитов следует пользоваться данными, полученными для магнитов постоянного или переменного тока.

В тех случаях, когда напряженность поля, имея постоянную составляющую, меняется в небольших пределах, изменение индукции происходит по малому ч частному циклу — гистерезиса. В этом случае связь между индукцией и напряженностью поля может быть приближенно выражена через среднюю проницаемость в частном цикле:

μΔ= где ΔΒ и ΔΗ — приращения индукции и напряженности, определяю- щие частный цикл. Ее величина в каждой точке нормальной кривой меньше проницаемости μ, и зависит от величины смещающего поля и величины ΔΗ. Предел, к которому стремится μΔ при уменьшении ΔΗ до нуля, называется обратимой проницаемостью μΔ.

Также у материалов для магнитов на переменном токе учитываются еще

б)Потери на перемагничивание.При перемагничивании (изменении магнитного состояния) образца из ферромагнитного материала затрачивается определенная энергия, выделяющаяся в виде тепла. Энергия, выделяющаяся за один цикл перемагничивания, характеризуется площадью, заключенной внутри соответствующей петли маг- нитного гистерезиса.

в) Потери от вихревых то- ков и общие потери.При переменном магнитном поле в ферромагнетике кроме потерь, связанных с гистерезисом, возни- кают также потери из-за вихре- вых токов. Эти токи появляются под действием э. д. с., на- водимой переменным магнитным потоком в ферромагне- тике. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопровод приходится делать шихтованным, т. е. выполнять из набора тонких пластин, изолированных в электрическом отношении друг от друга. Если пластины тонкие, то можно считать, что магнитный поток по их толщи- не распределен равномерно, а контуры вихревых токов имеют стороны, параллельные сторонам по- перечного сечения пластины. Магнитные материалы, применяемые в электрома- гнитах. При изготовлении магнитопроводов электромагнитов постоянного и переменного тока находят применение низкоуглеродистые электротехнические стали, кремнистые электротехнические стали, качественные конструкционные стали с содержанием углерода до 0,2 — 0,25%, стальное литье, чугуны, специальные железоникелевые и железокобальтовые стали. Для магнитопроводов электромагнитов высокочувствительных электромагнитных устройств применяются железоникелевые сплавы, обладающие очень малой коэрцитивной силой (0,01 — 0,1 а/см) и чрезвычайно высокой проницаемостью в слабых полях ( доходит до 300000). Недостатком этих сплавов являются сравнительно низкая ин- дукции насыщения (7000 — 10000 гс) и большая чувстви- тельность к механическим воздействиям. Появляющийся в этом случае наклеп приводит к сильному ухудшению магнитных свойств. Низкоуглеродитые электротехнические стали (ма- рок Э, А и т. п.), содержащие углерод в количестве до 0,04% и выпускаемые в виде листов и прутков, наиболее часто применяются для изготовления маломощных электромагнитов. Они имеют незначительную коэрцитивную силу (0,3 — 1,2 а/см) при высокой проницаемости ( оходит до 6000) и индукции насыщения до 21400 гс. Благодаря этому можно допускать значительно большие значения индукции, чем при применении железоникелевых сплавов, что существенно в электромагнитах на большие рабочие усилия.

При отсутствии жестких требований к значениям Нс и , например в силовых электромагнитах, электромагнитах многих коммутационных аппаратов и реле управления, для изготовления магнитопроводов применяют качественные конструкционные стали (марок 0; 1; 2 и тонко листовые 0,5; 0,8; 10; 15 и 20), имеющие при соответствующей термической обработке коэрцитивную силу от 0,7 до 3,5 а/см и максимальную проницаемость 2000— 4000.

В некоторых случаях, особенно для больших электромагнитов, из технологических соображений части магнитопроводов выполняются из стального литья и чугуна, обладающих сравнительно низкими магнитными свойствами. При обычном изготовлении стальные и чугунные отливки не подвергаются дополнительной термической обработке, однако отжиг может значительно улучшить их магнитные свойства. Кремнистые стали (марок Э11, Э21 и др.) применяют для изготовления магнитопроводов быстродействующих электромагнитов постоянного тока. Обладая высокими магнитными свойствами (Нс =0,2 — О,7 а/см =5000 — 10000 и ВS=19200 — 21000 гс) они имеют в не- сколько раз меньшую электропроводность, что приводит к снижению вихревых токов и, следовательно, уменьшает их влияние на скорость срабатывания электромагнита. Они также широко применяются в электромагнитах переменного тока.

С точки зрения снижения габаритов и веса электромагнитов, что особенно существенно для многих случаев их специального применения, большой интерес представляют сплавы железа с кобальтом (типа пермендюр) вследствие их большой индукции насыщения (ВS =23600 гс) при до- статочно низкой коэрцитивной силе (1,2 — 1,6 а/см) и вы- сокой проницаемости ( достигает 4500) .

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов, работаю- щих при переменном магнитном потоке, применяют почти исключи- тельно кремнистые электротехнические стали. Им присущи малые потери на гистерезис благодаря незначительной — коэрцитивной силе и низкие потери на вихревые токи благодаря повы- шенному удельному электрическому сопротивлению. Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляются в виде тон- ких листов толщиной от 0,1 до 1 м и.

Химический состав и свойства этих сталей нормируются ГОСТ 802-54, который включает 28 марок. Основное различие между ними, определяющее их свойства, заключается в содержании кремния и ха- рактере механической обработки (прокатки) в процессе производства листов.

Увеличение содержания кремния приводит к повышению магнит- ной проницаемости в слабых и средних полях, снижению потерь и коэрцитивной силы. Однако при этом повышается твердость и хруп- кость материала, что затрудняет изготовление из него деталей.

Читайте также:  Определи количество теплоты выделившееся при прохождении электрического тока

Железноникелевые стали, обладающие весьма высокой начальной и максимальной проницаемостью, малыми потерями и низкими значениями коэрцитивной силы, для электромагнитов применяются только в исключительных случаях, когда требуется особо высокая чувствительность. Вообще же из-за низкой индукции насыщения их использование в электромагнитах, как правило, нецелесообразно.

Источник

Электромагнит: устройство и принцип работы .

Уже, наверное, каждый столкнулся с магнитами и знает, что это. На сегодняшний день существует несколько типов магнитов: постоянные, временные и электромагниты. Сегодня мы немного углубимся в последний тип.

К электромагниту относится такое устройство, которое создаёт магнитное поле с помощью проходящего через него электрического тока. Само устройство выглядит вполне просто и незамысловато: обмотка и ферромагнитный сердечник, который является «обладателем» магнитных свойств. Итак, по проводам поступает электричество и доходит до сердечника, начиная вокруг него крутиться. В этот момент сердечник становится магнитом. Но стоит отключить поток электричества, как сердечник моментально теряет все свойства. Всё очень просто! Более того, электромагнит очень просто сделать самостоятельно.

Применение

Электромагнит является очень популярным изобретением, которое используют во многих сферах. Электромагнит – это неотъемлемая часть большого количества различных механизмов. Это связано с его функциональностью и способностью в нужный момент «отключаться».

В качестве яркого примера, известного многим, можно назвать электромагнитный подъёмный кран, способный поднимать невероятные по весу металлические детали. Почему именно такое устройство – догадаться несложно:

  • Сила сцепления невероятных масштабов
  • Возможность «включать» и «отключать» магнит в нужное время через подачу тока.

Такие способности удобны не только при подъёме тяжелых металлических предметов и грузов, но и при очистке и фасовке, где нужно отобрать металл от других материалов. В данном случае используются магнитные сепараторы, принцип работы которых идентичен.

В завершении

Электромагнит – это важное устройство, которое стало незаменимым во многих приборах благодаря особенностям работы. Сегодня электромагниты находятся в большинстве бытовых приборов и устройств, а учёные и конструкторы продолжают разработки по их усовершенствованию и получению новых уникальных продуктов с применением электромагнита.

Как и обычный магнит , электромагниты окружают нас везде, уже поистине достойно став неотъемлемой частью жизни человека.

Источник

Магнитный сердечник — Magnetic core

Магнитный сердечник представляет собой кусок магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью , используемой для удержания и направления магнитных полей в электрических, электромеханических и магнитных устройствах , такие как электромагниты , трансформаторы , электродвигатели , генераторы , катушки индуктивности , магнитные записывающих головки и магнитные узлы. Он изготовлен из ферромагнитного металла, такого как железо, или ферримагнитных соединений, таких как ферриты . Высокая проницаемость по отношению к окружающему воздуху заставляет силовые линии магнитного поля концентрироваться в материале сердечника. Магнитное поле часто создается токоведущей катушкой из проволоки вокруг сердечника.

Использование магнитного сердечника может увеличить напряженность магнитного поля в электромагнитной катушке в несколько сотен раз по сравнению с напряжением без сердечника. Однако магнитопроводы 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 катушки индуктивности. В сердечниках обычно используются «мягкие» магнитные материалы с низкой коэрцитивной силой и гистерезисом, такие как кремнистая сталь или феррит .

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Основные материалы
    • 1.1 Твердые металлы
      • 1.1.1 Мягкое железо
      • 1.1.2 Ламинированная кремнистая сталь
        • 1.1.2.1 Ламинирование
        • 1.1.2.2 Легирование кремнием
      • 1.1.3 Специальные сплавы
      • 1.1.4 Стекловидный металл
    • 1.2 Порошковые металлы
      • 1.2.1 Железо
      • 1.2.2 Карбонильное железо
      • 1.2.3 Восстановленное водородом железо
      • 1.2.4 МПП (молипермаллой)
      • 1.2.5 High-flux (Ni-Fe)
      • 1.2.6 Sendust, KoolMU
      • 1.2.7 Нанокристаллический
    • 1.3 Керамика
      • 1.3.1 Феррит
    • 1.4 Воздух
  • 2 Часто используемые конструкции
    • 2.1 Прямой цилиндрический стержень
    • 2.2 Одно ядро ​​»I»
    • 2.3 Сердечник «C» или «U»
    • 2.4 Сердечник «E»
      • 2.4.1 Ядро «E» и «I»
      • 2.4.2 Пара жил «E»
    • 2.5 Плоское ядро
    • 2.6 Ядро горшка
    • 2.7 Тороидальный сердечник
    • 2.8 Кольцо или бусина
  • 3 значение A L
  • 4 Потери в сердечнике
    • 4.1 Гистерезисные потери
    • 4.2 Вихретоковые потери
    • 4.3 Аномальные потери
    • 4.4 Уравнение Легга
    • 4.5 Коэффициенты Штейнмеца
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Основные материалы

Электрический ток через провод, намотанный на катушку, создает магнитное поле в центре катушки в соответствии с законом оборота 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 ферромагнетика или ферримагнетика в центре 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. Степень 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, 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». Прежний можно использовать; кусок материала, такого как пластик или композит, который может не иметь значительной магнитной проницаемости, но который просто удерживает катушки проводов на месте.

Твердые металлы

Мягкое железо

«Мягкое» ( отожженное ) железо используется в магнитных узлах, электромагнитах постоянного тока (DC) и в некоторых электродвигателях; и он может создавать концентрированное поле, которое в 50 000 раз сильнее, чем ядро ​​воздуха.

Железо желательно для изготовления магнитных сердечников, так как оно может выдерживать высокие уровни магнитного поля без насыщения (до 2,16 тесла при температуре окружающей среды). Используется отожженное железо, потому что, в отличие от «твердого» железа, оно имеет низкую коэрцитивную силу и поэтому не остается намагничивается при удалении поля, что часто важно в приложениях, где требуется многократное переключение магнитного поля.

Из-за электрической проводимости 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 в нем, замкнутые контуры электрического тока в плоскости, перпендикулярные полю. Ток, протекающий через сопротивление металла, нагревает его за счет джоулева нагрева , вызывая значительные потери мощности. Поэтому твердые железные сердечники не используются в трансформаторах или катушках индуктивности, они заменяются ламинированными или порошковыми железными сердечниками или непроводящими сердечниками, такими как феррит .

Ламинированная кремнистая сталь

Чтобы снизить упомянутые выше потери на вихревые токи, в большинстве низкочастотных силовых трансформаторов и индукторов используются многослойные сердечники, сделанные из пакетов тонких листов кремнистой стали :

Ламинирование

Ламинированные магнитопроводы состоят из стопок тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, лежащих как можно более параллельно линиям магнитного потока. Слои изоляции служат барьером для вихревых токов, поэтому вихревые токи могут течь только в узких петлях 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, разделение большого сердечника на узкие пластинки значительно снижает потери мощности. Из этого видно, что чем тоньше пластина, тем меньше потери на вихревые токи.

Легирование кремнием

Небольшая добавка кремния к железу (около 3%) приводит к резкому увеличению удельного сопротивления металла до четырех раз. Более высокое удельное сопротивление снижает вихревые токи, поэтому в сердечниках трансформаторов используется кремнистая сталь. Дальнейшее увеличение концентрации кремния ухудшает механические свойства стали, вызывая трудности при прокатке из-за хрупкости.

Среди двух типов кремнистой стали , ориентированной (GO) и неориентированной (GNO), GO наиболее желателен 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 направлении, использование стали с ориентированной зернистостью в предпочтительной ориентации является преимуществом. Вращающиеся машины, в которых направление магнитного поля может меняться, не получают преимуществ от стали с ориентированной зеренной структурой.

Специальные сплавы

Для магнитных сердечников существует семейство специализированных сплавов. Примерами являются мю-металл , пермаллой и супермаллой . Они могут быть изготовлены в виде штамповок или в виде длинных лент для сердечников, намотанных на ленту. Некоторые сплавы, например Сендуст , 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; это можно восстановить, повторив этап отжига.

Стекловидный металл

Аморфный металл — это различные сплавы (например, Metglas ), которые не являются кристаллическими или стеклообразными. Они используются для создания трансформаторов с высоким КПД. Материалы могут быть очень чувствительны к магнитным полям для низких гистерезисных потерь, а также могут иметь более низкую проводимость для уменьшения потерь на вихревые токи. Энергетические компании в настоящее время широко используют эти трансформаторы для новых установок. Высокая механическая прочность и коррозионная стойкость также являются обычными свойствами металлических стекол, которые являются положительными для этого применения.

Читайте также:  Изучение принципов работы цифровых измерителей параметров электрического тока

Порошковые металлы

Сердцевины порошка 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 меньшее 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 снижает потери на вихревые токи. Присутствие более крупных частиц может ухудшить высокочастотные характеристики. На проницаемость влияет расстояние между зернами, которые образуют распределенный воздушный зазор; чем меньше зазор, тем выше проницаемость и менее мягкая насыщенность. Из-за большой разницы плотностей даже небольшое количество связующего по весу может значительно увеличить объем и, следовательно, расстояние между зернами.

Материалы с меньшей проницаемостью лучше подходят для более высоких частот из-за баланса потерь в сердечнике и обмотке.

Поверхность частиц часто окисляется и покрывается слоем фосфата, чтобы обеспечить 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, увеличив сердечник; это выгодно там, где стоимость важнее массы и размера. Поток насыщения от 1 до 1,5 тесла. Относительно высокий гистерезис и потери на вихревые токи, работа ограничена низкими частотами (примерно ниже 100 кГц). Используется в индукторах накопителя энергии, выходных дросселях постоянного тока, дросселях дифференциального режима, дросселях симисторных регуляторов, дросселях для коррекции коэффициента мощности, резонансных индукторах, а также импульсных и обратных трансформаторах.

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. С более термостойкими связующими сердцевины можно использовать при температуре до 200 ° C.

Сердечники из железного порошка чаще всего доступны в виде тороидов. Иногда как E, EI, так и стержни или блоки, используются в основном в мощных и сильноточных частях.

Карбонильное железо значительно дороже, чем железо, восстановленное водородом.

Карбонильное железо

Порошковые сердечники из карбонильного железа , высокочистого железа, обладают высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур и уровней магнитного потока , а также отличной добротностью в диапазоне от 50 кГц до 200 МГц. Порошки карбонильного железа в основном состоят из сфер железа микрометрового размера, покрытых тонким слоем электроизоляции . Это эквивалентно микроскопической многослойной магнитной цепи (см. Кремнистую сталь выше), что снижает вихревые токи , особенно на очень высоких частотах. Карбонильное железо имеет более низкие потери, чем железо, восстановленное водородом, но также более низкую проницаемость.

Популярное применение магнитопроводов на основе карбонильного железа — это высокочастотные и широкополосные индукторы и трансформаторы , особенно более мощные.

Сердечники из карбонильного железа часто называют «радиочастотными сердечниками».

Свежеприготовленные частицы «Е-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» могут быть получены путем нагревания частиц E-типа в атмосфере водорода при 400 ° C в течение длительного времени, в результате чего получаются безуглеродистые порошки.

Восстановленное водородом железо

Порошковые сердечники из железа, восстановленного водородом, 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».

МПП (молипермаллой)

Сплав примерно 2% молибдена , 81% никеля и 17% железа. Очень низкие потери в сердечнике, низкий гистерезис и, следовательно, низкие искажения сигнала. Очень хорошая температурная стабильность. Высокая цена. Максимальный поток насыщения около 0,8 тесла. Используется в высокодобротных фильтрах, резонансных цепях, нагрузочных катушках, трансформаторах, дросселях и т. Д.

Материал был впервые представлен в 1940 году и использовался в нагрузочных катушках для компенсации емкости в длинных телефонных линиях. Его можно использовать на частотах от 200 кГц до 1 МГц, в зависимости от производителя. Он до сих пор используется в наземных телефонных линиях из-за его температурной стабильности. В подземных линиях, где температура более стабильна, обычно используются ферритовые сердечники из-за их более низкой стоимости.

С высоким потоком (Ni-Fe)

Сплав примерно 50–50% никеля и железа. Большой накопитель энергии, плотность потока насыщения около 1,5 тесла. Остаточная плотность потока около нуля. Используется в приложениях с большим постоянным током смещения (фильтры линейных помех или катушки индуктивности в импульсных регуляторах) или там, где требуется низкая остаточная плотность потока (например, импульсные трансформаторы и трансформаторы обратного хода, высокое насыщение подходит для униполярного привода), особенно там, где пространство ограничено. Материал можно использовать на частотах до 200 кГц.

Сендуст, KoolMU

Сплав из 6% алюминия, 9% кремния и 85% железа. Потери в сердечнике выше, чем MPP. Очень низкая магнитострикция , низкий уровень шума. Теряет индуктивность при повышении 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 обратных трансформаторах, линейных шумовых фильтрах, поворотных дросселях и в фильтрах в фазовых контроллерах (например, диммерах), где важен низкий акустический шум.

Отсутствие никеля приводит к более легкой обработке материала и его более низкой стоимости, чем как высокоплавкий, так и MPP.

Этот материал был изобретен в Японии в 1936 году. Его можно использовать на частотах от 500 кГц до 1 МГц, в зависимости от производителя.

Нанокристаллический

Нанокристаллического сплава стандартного железо-бор-кремниевого сплава, с добавлением небольших количеств меди и ниобия . Размер зерен порошка достигает 10-100 нанометров. Материал имеет очень хорошие характеристики на низких частотах. Он используется в дросселях для инверторов и в приложениях большой мощности. Он доступен под такими названиями, как, например, Nanoperm, Vitroperm, Hitperm и Finemet.

Керамика

Феррит

Ферритная керамика используется для высокочастотных приложений. Ферритовые материалы можно разрабатывать с широким диапазоном параметров. Как керамика, они, по сути, являются изоляторами, которые предотвращают появление вихревых токов, хотя потери, такие как гистерезисные, все же могут возникать.

Воздуха

Катушка, не содержащая магнитопровода, называется воздушным сердечником . Сюда входят катушки, намотанные на пластиковую или керамическую форму, а также катушки из жесткой проволоки, которые являются самонесущими и имеют внутри воздух. 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 позволяет повысить добротность , поэтому катушки с воздушным сердечником используются в высокочастотных резонансных цепях , например, до нескольких мегагерц. Однако потери, такие как эффект близости и диэлектрические потери , все же присутствуют. Воздушные сердечники также используются, когда требуется напряженность поля выше примерно 2 Тесла, поскольку они не подвержены насыщению.

Часто используемые конструкции

Прямой цилиндрический стержень

Чаще всего изготавливается из феррита или порошкового железа и используется в радиоприемниках, особенно для настройки катушки индуктивности . Катушка наматывается вокруг стержня или в форме катушки со стержнем внутри. Перемещение стержня внутрь катушки или из нее 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, предотвращающая перемещение сердечника.

Наличие сердечника с высокой магнитной проницаемостью увеличивает индуктивность , но силовые линии магнитного поля должны по-прежнему 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 быть проблемой.

Одно ядро ​​»I»

Подобен цилиндрическому стержню, но имеет квадратную форму, редко используется сам по себе. Этот тип сердечника чаще всего встречается в катушках зажигания автомобилей.

Сердечник «C» или «U»

U- и C- образные сердечники используются с I или другим C- или U- образным сердечником, чтобы сделать квадратный замкнутый сердечник, простейшую замкнутую форму сердечника. Обмотки можно надевать на одну или обе ножки сердечника.

Источник