Материалы для магнитопроводов

Усилитель магнитного поля

Электромагнитное поле неразрывно взаимосвязано с током. Его свойства используются во всех электрических машинах, устройствах электроники и автоматики. Предназначение магнитопроводов состоит в том, чтобы передавать и усиливать магнитное поле.

Усилитель магнитного поля – это сердечник, охваченный витками катушек (обмоток). В зависимости от вида применяемого материала, добиваются определённых характеристик МП.

Усилители по принципу действия бывают двух типов:

• амплистаты – УМП статической конструкции;
• трансдукторы – устройство с подвижными элементами.

Зачем нужен магнитопровод

Чтобы понять, что такое магнитопровод, надо рассмотреть устройство простого трансформатора. Две индукционные катушки намотаны на сердечники, объединённые в единую конструкцию. Именно они являются магнитопроводами (МП).

Петля гистерезиса

Первичная катушка под напряжением наводит магнитное поле на сердечник, который наводит магнитный поток на вторичную обмотку. В результате МП индуцирует ток во второй катушке, но уже с другими характеристиками.

Важно! Сердечники изготавливают из особой трансформаторной стали – ферритов. Это сплав железа с оксидами других металлов.

Броневой магнитопровод

Режимы работы трансформатора. часть 2

На рис. 4.14 показана зависимость добротности катушек с броневыми магнитопроводами от частоты.  

В соответствии с приведенными выше рекомендациями выбираем для трансформатора броневой магнитопровод.  

Зависимость магнитных характеристик от размеров наиболее явно выражена у броневых магнитопроводов типа ШЛ.  

Рассмотрим для примера ПФ с колебательными контурами, выполненными с применением броневых магнитопроводов из карбонильного железа.  

Найдем, насколько изменятся размеры и вес трансформатора, если применить в нем вместо ленточного пластинчатый броневой магнитопровод из стали Э44 толщиной 0 2 мм.  

Большей площадью теплоотдачи обладает сердечник стержневого типа, однако в конструкциях выходных трансформаторов могут использоваться и броневые магнитопроводы. Материалами магнитопро-водов ( штампованных и ленточных) служат электротехнические стали Э46, Э310, ЭЗЗО, а также пермаллой 45Н, 50НХС и пермендюр. Для мощных выходных трансформаторов применяют провода с высокопрочной изоляцией из винифлекса ПЭВТ или стекловолокна ПСД. Трансформаторы имеют защитный металлический корпус или скобу-обойму. Крепят их аналогично силовым трансформаторам.  

Печь с индукционной единицей, показанной на рис. 15 — 1, имеет однофазный трансформатор с броневым магнитопроводом. Широко применяются также трансформаторы со стержневыми магнитопро-водами.  

Стабильность у катушек с кольцевыми магнитопроводами во времени не превышает величин, характерных для катушек с броневыми магнитопроводами.  

Таким образом, плотность тока во вторичной обмотке следует принимать на 30 % меньшей для трансформаторов с броневыми магнитопроводами и на 15 % для трансформаторов со стержневыми магнитопроводами.  

Для трансформаторов и дросселей используется два типа магнитопроводов: стержневой и броневой, показанные на рис. 5.9. При использовании броневого магнитопровода все обмотки трансформатора размещают на одной катушке, которую одевают на средний стержень. При использовании стержневого маг-нитопровода на двух стержнях располагают две катушки. В маломощных силовых и низкочастотных трансформаторах применяют броневые сердечники, так как применение одной катушки упроща — ет конструкцию и позволяет получить максимальный коэффициент заполнения окна магнитопровода медью.  

Особенностью высоковольтных и высокопотенциальных трансформаторов является преимущественное применение стержневых магнитопроводов, что отличает их от низковольтных трансформаторов, в которых наиболее часто применяются броневые магнитопроводы.  

Значения коэффициента связи для различных катушек приведены в табл. 4.5. Наибольшие трудности возникают при получении больших коэффициентов связи между однослойными и многослойными катушками, а также при необходимости обеспечения очень малой заданной величины связи между катушками с броневыми магнитопроводами.  

Характеристики и принцип действия

Принцип действия МП заключается в том, чтобы увеличивать магнитное поле, направленное на вторичную обмотку электроустройства. Характеризующие величины МП напрямую зависят от состава сплава, применяемого для изготовления сердечников. Самыми эффективными усилителями считаются ферромагнетики.

Электромагнит

Чтобы в сердечнике постоянно возрастала сила магнитного потока, нужно повышать силу тока и количество витков в катушке.

Следует понимать! Величина магнитного поля ограничивается характеристиками материала, из которого изготовлен сердечник.

Чтобы чётко выразить характеристики магнитопровода, их отображают графически на осях координат. Изменение величин выглядит в виде замкнутой кривой линии, называемой петлёй гистерезиса.

Петля гистерезиса

Что является источником магнитного поля

Гистерезис по-гречески означает запаздывание. Графическое изображение петли гистерезиса отражает степень намагничивания тела, находящегося во внешнем магнитном поле. Гистерезис – это зависимость векторов намагничивания и напряжённости магнитного поля в какой-либо среде от приложенного внешнего МП. Состояние тела на данный момент времени сравнивается с его предыдущим состоянием. При этом наблюдается отставание реакции тела на воздействие внешнего МП. Физическое действие отлично проявляется в ферромагнетиках: это железо, кобальт, никель и сплавы из них. Петля гистерезиса даёт объяснение существования постоянных магнитов.

Петля гистерезиса

Обратите внимание! Магнитным гистерезисом ферромагнетика называют отставание изменения степени намагничивания тела от изменения внешнего магнитного поля. То есть петля показывает зависимость степени намагничивания от предыстории образца.

Магнитная проницаемость ферромагнетика – непостоянная величина, она тесно связана с индукцией внешнего поля. Кривая намагничивания сердечника представляет собой изогнутую петлю, при определённой степени насыщения поля ферромагнетика. В дальнейшем эта величина не растёт. Если внешнюю индукцию уменьшить до нуля, то ферромагнетик сохранит остаточное намагничивание. При смене направления внешнего поля ферромагнетик перемагничивается в обратную сторону.

Использование материала для магнитопровода с низкими потерями

Для магнитопроводов трансформатора выбор металла, из которого они изготавливаются, является критичным. Поэтому важно, чтобы использовалась сталь с хорошими магнитными свойствами. Существует множество сортов стали, которые можно использовать для магнитопровода трансформатора. Каждый из них оказывает собственное влияние на эффективность на основе единицы веса. Выбор материала зависит от оценки потерь при отсутствии нагрузок, и общих затрат на владение трансформатором. Сегодня почти все производители трансформаторов используют для своих магнитопроводов сталь, обеспечивающую низкие потери, связанные с влиянием магнитного гистерезиса и вихревых токов. Для достижения этих целей почти всегда используется кремнистая сталь холодной прокатки, с высокой магнитной проницаемостью, и ориентацией зерен. При сборке магнитопровода используется соединение пластин под углом 45°Со сдвигом, а сами пластины тщательно укладываются.

Конструктивные особенности

Магнитопроводы изготавливают в стыковом и шихтованном исполнениях. Конструкции различаются способом соединения сердечников с ярмами (частью стержней без обмоток).

Стыковое исполнение

Собирают части МП раздельно. На вертикальные сердечники устанавливают обмотки. Потом их скрепляют горизонтальным верхним ярмом с помощью шпилек. После этого монтируют нижнее ярмо. Удобна эта конструкция тем, что, удалив шпильки, сняв горизонтальную секцию, можно всегда сменить обмотки. Стыковая конструкция используется в шунтирующих токоограничивающих устройствах реакторов.

Шихтованные конструкции

Стержни и ярма выполнены в виде слоеных плит. Каждый пакет состоит из двух или трёх слоев стальных пластин. Соединения деталей осуществляются вхождением элементов в промежутки между слоями магнитопровода. Такой способ монтажа деталей МП называют шихтованием. Сложность формирования всей конструкции трансформатора обуславливает риск некачественной сборки прибора.

Виды магнитопроводов

Магнитопроводы изготавливают стержневой, броневой и кольцевой конструкций.

Стержневой тип

Вертикальные сердечники ступенчатого сечения образуют с горизонтальными ярмами окружность. Обмотки расположены только на вертикальных элементах. Вся система магнитопровода устроена в виде замкнутой цепи.

Пластинчатые наборные магнитопроводы

Броневой тип

Сердечники в сечении имеют прямоугольную форму. Они занимают горизонтальное положение. Обмотки тоже выполнены в прямоугольном виде. Для того чтобы исполнить такую конфигурацию оборудования, требуется довольно сложная производственная технология. Поэтому такой тип МП используется только в специальных видах трансформаторов.

Кольцевой – тороидальный тип

Кольцевые ленточные магнитопроводы применяют в сборке силовых однофазных трансформаторов. МП изготавливают из холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0.08, 0,3 и 0,35 мм. Тороидальные сердечники изготавливают из феррита или карбонильного железа. Их широко применяют в радиоэлектронике.

Кольцевые тороидальные МП

Виды магнитопроводов и их использование

Давайте чуть подробней остановимся на особенностях магнитопроводов, предназначенных для разных устройств.

Для трансформаторов используются однофазные или трехфазные магнитопроводы. Среди однофазных можно выделить стержневые и броневые устройства. Стержневой магнитопровод состоит из двух стержней, на которые проводится установка двух катушек с обмотками. Броневой магнитопровод состоит из стержня, на котором расположены обмотки и ярма. От стержня происходит раздвоение магнитного потока на 2 части. Такой тип магнитопровода используется в трансформаторе малых мощностей. Это связано с тем, что он не приспособлен к высоким тепловым нагрузкам. Стержневой магнитопровод, у которого больше площадь для охлаждения обмотки, лучше подходит для силовых транформаторов.

Для трехфазных устройств используется либо 3 однофазных конструкции, либо собирается общая обмотка с отдельными ячейками.

Наиболее часто применяемая конструкция в этом случае – это расположение обмоток на отдельном стержне. Если производство небольшое, то магнитопровод там часто монтируют своими силами из лент-заготовок. То есть на готовую катушку с проводом наматывают ленты из железа – магнитопровод.

При этом если используются ленты, то их толщина должна быть 0.2 или 0,35 мм, а если пластины – то 0,35 или 0,5 мм. Это связано с тем, лента должна быть намотана очень плотно, что невозможно сделать, если толщина материала слишком большая.

Для реле и пускателей принципиально конструкция магнитопровода не меняется. Различие лишь в том, что в него входит 2 части – подвижная и стационарная. Если появляется магнитный поток, то подвижная часть с контактом притягивается как магнит, а если нет магнитного потока, то она возвращается в прежнее положение. Магнитопроводы, работающие с постоянным током, изготавливается при помощи отлива цельной детали, тонкие пластины для них не используются. Сердечник у них круглой формы, а корпус и ярмо – прямоугольные. Магнитопровод для электрической машины несколько отличается по конструкции. Это связано с наличием подвижного ротора. В магнитопроводе в этом случае делаются пустые пространства для расположения там проводов, ведь внутри них расположены обмотки, где течет ток для обеспечения минимальных габаритов.

Похожие материалы:

← Предыдущая страница

Следующая страница →

Применение трансформаторов

При передаче электроэнергии на большие расстояния могут возникать довольно большие потери из-за нагрева проводов. Во избежание столь негативного явления многократно применяют трансформаторы. Изначально на электростанции повышают напряжение соответственно со значительным уменьшением силы тока. После прохода энергии через линии электропередач перед доставкой тока потребителю с помощью трансформаторов снижают напряжение до приемлемого уровня (220 в).

Поскольку в сетях электролиний проходит трёхфазный ток, то для его преобразования применяются группы из 3 однофазных трансформаторов, соединённых в звёздную или треугольную схему. Также используются трёхфазные трансформаторы с единым магнитопроводом. Оборудование обладает высоким КПД. В связи с этим происходит выделение большого количества тепла. Поэтому мощные трансформаторы помещают в ёмкости, заполненные специальным маслом.

Мощный силовой трансформатор

Различные электроприборы нуждаются в питании током определённой величины напряжения. Для этого в их корпуса встраивают трансформаторы с нужными характеристиками. Для питания современных радиотехнических и электронных приборов используют высокочастотные импульсные трансформаторы.

Трансформаторы являются основой контрольно-измерительных устройств. Смысл использования таких приборов заключается в безопасной передаче формы импульсов напряжения исследуемой электроцепи. Например, измерительные трансформаторы применяют в системах дизельных генераторов с токами средней мощности (до 1 мегаватта).

Согласующие трансформаторы применяют при подключении устройств с низкоомным сопротивлением к каскадам электроники с высокими входными или выходными показателями сопротивления. Примером может служить соединение усилителя звуковой частоты с динамиками, которые имеют очень низкое сопротивление.

Дополнительная информация. Величина энергетических потерь в трансформаторе напрямую зависит от качества электротехнической стали сердечника. Минимальные потери на нагрев, гистерезис и вихревые токи происходят там, где сердечники собраны из большого количества секций.

Магнитопровод трансформатора

магнитопровод
Как вы уже наверняка знаете, что все трансформаторы предназначены для преобразования разных величин напряжения. И его основными частями являются: магнитопровод и обмотки. Сегодня поговорим об магнитопроводе. Он представляет собой набор (пакет), состоящий из изолированных друг от друга пластин. Эти пластины изготовляют из специальных материалов — ферромагнетиков, способных хорошо намагничиваться. В основном пластины для магнитопроводов изготавливают из электротехнической стали, это высоко углеродистая сталь проста в изготовлении и соответственно дешёвая. Эти пластины собираются в пакет и образуют различные формы.

Они могут быть Ш — образными

Т — образными и так далее.

В зависимости от формы магнитопровода различают несколько его типов

Стержневой тип:

Броневой тип:

На фото, ниже представлен трансформатор выполненный на основе магнитопровода броневого типа. Этот вид магнитопровода служит в трансформаторе как каркасом так и защищает обмотки от механических воздействии, так же броневой тип магнитопровода создает хорошую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками. Минусом является повышенный расход электротехнической стали при их изготовлении.

Тороидальный тип магнитопровода:

Тороидальный тип магнитопровода является самым эффективным, так как магнитное поле, создаваемое таким магнитопроводом обладает самым малым коэффициентом рассеивания, и в нем создается практически однородное поле, которое обеспечивает наибольшую эффективность. Выполненные трансформаторы на его основе обладают самым высоким КПД, но из-за сложной формы они сложны в изготовлении, вследствие чего и повышается их цена.

тороидальная катушка

Существует только один вид трансформаторов, в котором не используется магнитопровод, это воздушные трансформаторы, в таких трансформаторах протекает высокочастотный ток, при котором магнитопровод практически не намагничивается.

Так же следует запомнить, что все пластины в магнитопроводе изолированы друг от друга, для уменьшения потерь на вихревые токи. Дело в том, что как и во вторичной обмотке, так и в самом магнитопроводе индуцируется ЭДС, которая не является полезной и расходуется лишь на нагрев самого магнитопровода, а вследствие и самих обмоток. Для уменьшения этих потерь, каждая пластина магнитопровода изолируется друг от друга, таким образом увеличивается сопротивление, то есть уменьшается ток.

Бывают еще и ленточные магнитопроводы, которые не так уж часто встречаются в трансформаторах, но также являются весьма удачным вариантом исполнения магнитопровода.

Магнитопроводы применяются не только в трансформаторах, но и в других электрических машинах и электрических аппаратах, устройствах. Во всех электродвигателях, генераторах, как в неподвижных (статорах, станинах), так и в подвижных (роторах, якорях) частей. А также в дросселях, магнитных пускателях, реле и т.д.

Размеры магнитопровода определяются напряжением и мощностью изготовляемого трансформатора, а также в зависимости от его типа.

Марки ферритов

Ферриты по своему составу подразделяются на две группы: марганцово-цинковые и никель-цинковые. Марганцово-цинковые ферриты обозначают буквами НМ, соответственно, никель-цинковые вещества маркируют литерами – НН. Число перед буквенным обозначением феррита означает величину начальной магнитной проницаемости в единицах µнач. Этот показатель даётся с корректировкой номинального значения. Например, феррит марки 4000НМ имеет магнитную проницаемость с отклонением в пределах от – 800 до + 500 µнач.

Магнитопроводы имеют исключительное значение в формировании таких приборов, как трансформаторы и другие электротехнические устройства. От их качественного состава во многом зависят исходные технические характеристики приборов.