Toroidní a obdélníková magnetická jádra – Yudzhen

Jakýkoli vodič, kterým protéká elektrický proud, vytváří kolem sebe magnetické pole. Magnetické pole ve vakuu (vnější magnetické pole) je charakterizováno intenzitou magnetického pole Н, měřeno v soustavě SI jednotek v ampérotáčkách/metr a v soustavě CGS v oerstedech (1 A/m » 0,125 Oe). Jako charakteristika pole se také zavádí veličina zvaná magnetomotorická síla, která má rozměr Н ´ jednotka délky (ampérzávit v SI a Gilbert v CGS). Pro popis magnetického pole v materiálu se zavádí veličina zvaná hustota magnetického toku nebo indukce B (jednotkou měření je Gauss (G) v CGS a Tesla (T) v SI, 1 T = 10000 XNUMX G). Ve vakuu v systému CGS В = Н. Magnetický tok Ф, což je produkt B ´ SKde S – plocha měřená ve Webers (Wb) v systému SI a v Maxwells v systému CGS (1 Wb = 10 8 Maxwells). V cívce s jádrem vyrobeným z magnetického materiálu lze tok magnetického pole reprezentovat jako součet:

kde Ф_cívky – tok vytvořený samotnou cívkou a F_jádro – tok vytvořený materiálem jádra.

Magnetický materiál může být v magneticky neuspořádaném nebo magneticky uspořádaném stavu. V druhém případě jsou magnetické momenty atomů, které tvoří magnetický materiál, orientovány určitým směrem, zatímco v prvním případě provádějí chaotické pohyby pod vlivem tepelné energie. Teplota magnetického uspořádání feromagnetik (materiálů, ve kterých jsou magnetické momenty atomů uspořádány kolineárně) se nazývá Curieova teplota (Т_С). Nad Curieovou teplotou je feromagnet v magneticky neuspořádaném stavu. V nepřítomnosti vnějšího magnetického pole je feromagnetický materiál v demagnetizovaném stavu (pokud nejsou přijata speciální opatření k udržení zmagnetizovaného stavu, jako je tomu u permanentních magnetů), a to i při teplotách pod Curieovým bodem. Důvodem je, že vzorek kolem sebe vytváří vlastní pole (toto pole se nazývá demagnetizační), v důsledku čehož se zvyšuje celková energie systému (magnetický moment vzorku + pole vzorku). Ve snaze minimalizovat jeho energii je vzorek rozbit na samostatné oblasti (domény), vnitřně zmagnetizován do nasycení. Magnetické momenty domén jsou orientovány tak, že celkový magnetický moment vzorku je nulový. Když je magnetický materiál umístěn do vnějšího magnetického pole, struktura domény je restrukturalizována, což má za následek, že vzorek vyvíjí magnetický moment, který se zvyšuje se zvyšujícím se vnějším magnetickým polem. Magnetický moment na jednotku objemu se nazývá magnetizace. М (v systému CGS se měří v Gaussech, v systému SI v Tesle, stejně jako hustota magnetického toku). V systému ČGS pole Н, indukce В a magnetizace М souvisí následujícím vztahem:

Magnetická permeabilita c je charakteristika magnetického materiálu a je definována jako přírůstek magnetické indukce dělený přírůstkem síly magnetického pole. Magnetická permeabilita tedy slouží jako měřítko citlivosti magnetického materiálu na vliv vnějšího magnetického pole. Rozlišuje se relativní a absolutní magnetická permeabilita. Relativní magnetická permeabilita se měří v bezrozměrných jednotkách vzhledem k permeabilitě vakua. Propustnost vakua v jednotkách CGS a SI je různá: rovná se jedné v CGS a 4 p ´ 10 -7 v SI. Relativní permeabilita tvrdých magnetických materiálů je obvykle mírně vyšší než jedna a permeabilita měkkých magnetických materiálů může dosáhnout několika set tisíc jednotek (supermalloy). Magnetická permeabilita závisí na poli a může se velmi měnit s rostoucím polem – na počátečním úseku počáteční magnetizační křivky je maximální a poté klesá.

Na obr. 1 jsou znázorněny typické magnetizační křivky demagnetizovaného feromagnetického materiálu. Křivka 0AB je počáteční magnetizační křivka. Když magnetické pole vzroste z nuly na m-k A, dochází nejprve k restrukturalizaci doménové struktury (vratné posunutí doménových stěn, nevratné posunutí doménových stěn, rotace doménové magnetizace), dokud vzorek nepřejde do jednodoménového stavu a nezačnou procesy potlačení vnějšího pole dezorientace magnetických momentů atomů, ke které dochází v důsledku tepelného pohybu (takový proces se nazývá paraproces). Na obr. 1 paraproces začíná z bodu A a pokračuje dalším růstem vnějšího pole. Od určité hodnoty pole se magnetizace prakticky přestane měnit a magnetická permeabilita materiálu se přiblíží hodnotě permeability ve vakuu. Tento stav se nazývá stav nasycení materiálu (bod B na obr. 1). Pole odpovídající stavu nasycení se nazývá saturační pole a magnetizace nebo indukce se nazývá saturační magnetizace nebo saturační indukce. Pokud nyní začneme snižovat magnetické pole (demagnetizovat vzorek), pak se indukce vzorku nezmění podél předchozí (počáteční) magnetizační křivky. Průběh demagnetizační křivky je znázorněn na obr. 1 šipkami. Nyní, když pole klesne na nulu, magnetizace vzorku obecně nebude nulová. Míra magnetizace (indukce), kterou si vzorek uchová, když se vnější magnetizační pole sníží na nulu po dosažení plného nasycení, se nazývá zbytková magnetizace (indukce). M_r (B_r ). Nyní, aby se magnetizace vzorku snížila na nulu, je nutné použít vnější pole velikosti H_c v opačném směru. Velikost H_c se nazývá donucovací síla. S dalším nárůstem absolutní hodnoty pole začne magnetizace opět narůstat a opět dosáhne hodnoty saturační magnetizace, i když opačného znaménka. Pokles vnějšího pole v absolutní hodnotě bude opakovat průběh magnetizační křivky, což má za následek vznik uzavřené křivky – hysterezní smyčky (viz obr. 1). Toto „zpoždění“ magnetizace vzhledem k poli se nazývá hystereze pole, která je charakteristická pro magneticky tvrdé (magneticky tuhé) materiály. Další zvyšování a snižování vnějšího pole způsobí pohyb podél hysterezní smyčky. Aby se vzorek vrátil do původního stavu, musí být demagnetizován, což se provádí cyklickou změnou magnetického pole s postupným snižováním jeho amplitudy až k nule. Dalším způsobem, jak demagnetizovat vzorek, je zahřát jej nad teplotu magnetického uspořádání (Curieho bod pro feromagnetika). Magnetický stav bude zničen.

Rýže. 1. Hysterezní smyčka.

Podle toho, zda se při konstrukci hysterezní smyčky počítá s demagnetizačním polem vytvořeným samotným vzorkem či nikoliv (určují to podmínky pro měření hysterezní smyčky), se rozlišuje normální a vnitřní hysterezní smyčka – viz obr. 2. Jak je patrné z obr. 2, velikost zbytkové indukce v obou smyčkách je stejná, ale rozdílná koercitivní síla. „Vnitřní“ donucovací síla vzorku (je označena H_ci) má větší velikost než „normální“ donucovací síla.

Rýže. 2. Normální a vnitřní hysterezní smyčky.

Další charakteristikou magnetického materiálu (používá se pro magneticky tvrdé materiály) je energetický produkt VN. Tato hodnota je tedy definována jako magnetická indukce materiálu vynásobená velikostí magnetického pole potřebného k dosažení této hodnoty indukce. Tento výrobek v systému SI má rozměr Joule/m3, v systému CGS – Gauss ´ Oersted (1 J/m3 = 125,63 GsOe). U magnetických materiálů se používá množství nazývané maximální energetický produkt. Čím vyšší je maximální energetický produkt, tím lepší je permanentní magnet.

V měkkých magnetických materiálech je hystereze malá. Šířka hysterezní smyčky (plocha uzavřená smyčkou) určuje energii potřebnou k obrácení magnetizace materiálu. Vzhledem k tomu, že jako jádra pro induktory a transformátory, kterými protékají střídavé proudy, se používají měkké magnetické materiály, musí být ztráty jádra minimalizovány, aby se zvýšila účinnost zařízení. Proto by hysterezní smyčka měkkých magnetických materiálů měla být co nejužší. Je třeba poznamenat, že ztráty v jádře se skládají nejen z magnetizačních reverzních ztrát (hysterezní ztráty), ale také ze ztrát Foucaultových proudů (vířivé proudy) indukovaných střídavými magnetickými poli ve vodivých materiálech. Účinné jádro proto musí mít co nejnižší vodivost. Energie v jádru se rozptýlí jako teplo. Ztráty v jádru se měří v soustavě SI ve wattech (1 W = 1 J/s).

2. Hlavní typy magneticky měkkých materiálů.

2.1. Měkké magnetické ferity .

Měkké magnetické ferity získává se z oxidů železa těžených jako minerály. Do oxidů se přidávají různé kovy (nikl, mangan, zinek). Směsi jsou poté lisovány do požadovaných tvarů a slinovány za vzniku samotných feritů. Proces je ukončen konečným broušením a povrchovou úpravou produktu.

Manganozinečnatý ferit má vysokou propustnost a nízké ztráty vířivými proudy. Niklozinkové ferity mají nižší propustnost a velmi nízké ztráty vířivými proudy. Frekvenční rozsah, ve kterém se používají měkké magnetické ferity, je od 10 kHz do 1 GHz a vyšší. Ferity se vyznačují nízkou indukcí nasycení (od 2500 4000 do XNUMX XNUMX Gs), ale mohou být tvarovány do produktů s různými typy mezer. Kvůli nízkým ztrátám při vysokých frekvencích jsou ferity široce používány v jádrech transformátorů měničů napětí, filtračních tlumivek, vysokofrekvenčních transformátorů, magnetických antén a dalších radiotechnických zařízení. Magnetické vlastnosti feritů přitom dosti silně závisí na teplotě.

2.2. Desky vyrobené z měkkých magnetických materiálů (Bez škrábanců Laminacesi Stříhání)

Bezškrabkové laminace se obvykle dodávají ve formách EE, UI a EI. Vyrábějí se lisováním tenkých plátů magnetického materiálu (obvykle Si-Fe, Ni-Fe nebo Co-Fe). Poté se pomocí speciálních zařízení z desek vytvoří jádra pro transformátory. Výhodou bezškrábaných laminací je, že velkosériová výroba může produkovat vysoce kvalitní jádra s vysokou propustností pro nízkofrekvenční aplikace.

Stříhání jsou pásy tenkých plechů získané sekáním. Někdy přicházejí ve formě pásů spojených pod úhlem 45 stupňů a někdy mají otvory pro šroub. Použitým materiálem je téměř vždy Si-Fe. Střihy se sečtou a získají se tvary UI a EI. Výhodou této metody je, že je možné získat jádra velkých rozměrů. Pro jádra transformátorů pracujících při frekvencích kolem 60 Hz se běžně používají bezškrábané laminace a Si-Fe Shearings.

2.3. Materiály na bázi práškového železa

Prášková železná jádra jsou vyrobeny z částic železa o čistotě 99+ %. Existují různé typy železných prášků, od poměrně špinavé a levné železné houby až po drahé vysoce čisté karbonylové prášky. Prášky se smíchají s pojivem a pod vysokým tlakem se lisují do forem za vzniku požadovaných produktů. Po lisování je výrobek vulkanizován, ale žíhání se neprovádí. Postup je veden tak, aby se jednotlivé částice neslučovaly a nedocházelo mezi nimi k elektrickému kontaktu. Technologický postup získávání materiálů na bázi práškového železa je znázorněn na obr. 3. Je třeba poznamenat, že prášková jádra nejsou slinuté materiály. Protože Pokud jsou mezi částicemi mezery, pak je takové jádro takzvaným systémem distribuovaných mezer. Přestože má částicový materiál vysokou permeabilitu, efektivní permeabilita samotného práškového jádra může mít maximální hodnotu 90. Prášková jádra se dělí do tří kategorií podle permeability – vysoká permeabilita, střední permeabilita a nízká permeabilita. Vysokopermeabilní jádra (60 až 90) se používají ve filtrech a ve frekvenčním rozsahu do 75 kHz. Středně propustná jádra (20 až 50) se používají v radiofrekvenčních transformátorech a různých tlumivkách ve frekvenčním rozsahu od 50 kHz do 2 MHz. Mohou poskytovat vyšší magnetický tok bez dosažení nasycení než feritové materiály. Jádra s nízkou magnetickou permeabilitou (od 7 do 20) se používají výhradně v radiofrekvenčním rozsahu. Typickými aplikacemi pro tyto materiály jsou vysokofrekvenční transformátory a indukční jádra pro frekvenční rozsah od 2 do 500 MHz. V některých radarových systémech se prášková jádra používají při frekvencích až 1 GHz. Dobré vlastnosti magnetického toku, nízké ztráty a vysoká teplotní stabilita zajišťují široké použití práškových jader v radiokomunikačních zařízeních. Vysoká flexibilita technologie práškového jádra umožňuje výrobu produktů různých tvarů.

Rýže. 3. Technologický postup získávání materiálů na bázi železného prášku. Suroviny – výchozí materiály, míchačka, mix s izolací – smíchání s izolační složkou, lopatou na plechy pro pečení do sucha – sušení a tepelné zpracování na plechu, lis při 30-35 TSI – lisování pod tlakem, vytvrzování – vulkanizace, rádius odjehlování pro odstranění ostrých hran – odstranění ostrých zkosení, nátěr a vytvrzování – lakování a vulkanizace, závěrečná zkouška.

Nevýhody práškové magnetické materiály jsou:

1. omezené množství magnetická permeabilita;

2. poměrně vysoké ztráty;

Magnetická jádra, vyrobená ze speciálních elektroocelí navinutím ocelové pásky, mají vysokou magnetickou permeabilitu. Použití kroucených magnetických jader toroidního a obdélníkového (se zaoblenými rohy) tvaru umožňuje výrobu transformátorů s vysokým činitelem účinnosti, minimálními ztrátami rozptylem, minimální úrovní elektromagnetického rušení a řadou dalších výhod. Navíc díky menším hmotnostním a rozměrovým parametrům ve srovnání s jinými typy magnetických jader se stejnou magnetickou permeabilitou umožňují výrobu kompaktnějších transformátorů a tlumivek s menší hmotností a tím i nižšími materiálovými náklady na jejich výrobu.

Toroidní jádro má ideální tvar pro konstrukci transformátoru s minimálním množstvím materiálu. Kvalita oceli zajišťuje nízkou magnetostrikci a nízké ztráty rozptylem. Tím je téměř zcela odstraněno pozadí a hluk spojený s provozem klasických transformátorů.

Zakázková výroba magnetických jader

Yudzhen LLC vyrábí toroidní a obdélníková magnetická jádra pro transformátory a tlumivky z různých typů elektrotechnické anizotropní oceli o tloušťce 0,08-0,3 mm a šířce 8 až 50 mm. Toroidní jádra s výškou (h) větší než 50 mm jsou sestavena ze dvou nebo více jader. Maximální vnější průměr (D) magnetického obvodu je 320 mm.

Navíjení toroidních magnetických jader se provádí na široké škále trnů. Je možné vyrábět jádra o zakázkových rozměrech d a D, po vývoji a výrobě nástrojů pro jejich výrobu.

Společnost má také zařízení pro navíjení obdélníkových magnetických jader. Obdélníková kroucená jádra nejsou v některých případech svými vlastnostmi horší než toroidní jádra a používají se například k výrobě proudových transformátorů s velkým vnitřním oknem.

Výhody toroidních transformátorů

Vyšší účinnost Toroidních transformátorů je dosaženo velmi nízkými ztrátami v toroidním jádru. Typické hodnoty ztrát jsou 1,05-1.2 W/kg při indukci 1,7 T a frekvenci 50/60 Hz. Tím je zajištěn velmi nízký magnetizační proud, který přispívá k dobré tepelné zatížitelnosti toroidního transformátoru. Vyšší magnetická indukce kroucených toroidních jader je způsobena použitím vysoce kvalitních ocelí a homogenitou (absence mezer) po celé délce závitů a také tím, že vektor magnetického toku v magnetickém obvodu se shoduje se směrem válcování ocelové pásky, ve které má vysokou magnetickou permeabilitu. Schopnost rovnoměrně rozmístit vinutí po celém povrchu jádra také umožňuje výrazně snížit ztráty rozptylem a snížit aktivní odpor vinutí snížením délky drátu, což následně vede ke zvýšení faktoru účinnosti.

Menší objem a hmotnost jsou způsobeny tím, že toroidní jádro má ideální prstencový tvar a umožňuje použití minimálního množství materiálu pro jeho výrobu při zachování vysoké magnetické permeability. Toho je dosaženo efektivnějším využitím celého objemu magnetického obvodu, na rozdíl od jiných typů jader. Optimální výpočet vinutí a jejich efektivní uspořádání po celé ploše jádra také zkracuje délku drátu, což vede ke snížení jejich rozměrů a hmotnosti.

Úspora energie při provozu transformátorů na toroidních jádrech dosahuje 86 % naprázdno a 36 % při provozu pod zátěží. A pokud vezmeme v úvahu důležitost počáteční účetní hodnoty transformátoru, není to vše. Mezinárodní názor, že výroba energie má dopad na životní prostředí, vedl k neustálému zvyšování cen energií.

Použití toroidních transformátorů namísto konvenčních transformátorů s laminovanými jádry z jednotlivých ocelových plátů přináší výrazné úspory energie. Obvykle se náklady na nákup toroidních transformátorů vrátí prostřednictvím úspor energie v průběhu dvou až tří let provozu.

Flexibilita velikosti toroidních transformátorů je oproti běžným transformátorům s vrstvenými jádry zajištěno použitím toroidních jader vyrobených ve vlastních provozech na kvalitních elektrických žíhacích pecích. To nám umožňuje vyrábět vysoce kvalitní jádro prakticky libovolného průměru a výšky. Naši specialisté mohou na zakázku navrhnout toroidní transformátor tak, aby přesně zapadl do omezeného prostoru, což je obvykle nemožné dosáhnout s konvenčními transformátory.

Jednoduchá a rychlá instalace transformátory s výkonem do 1 kVA, vyrobené na bázi toroidních jader, se provádějí pomocí jedné (nebo dvou – nahoře a dole) středící plastové podložky (nebo kovové podložky s ochranným pryžovým těsněním) a montážního šroubu procházejícího středovým otvorem toroidního transformátoru.

Nižší hladina hluku. Vzhledem k tomu, že jádra Yudzhen LLC jsou vyrobena z pevného pásu vysoce kvalitní oceli a svařena na obou stranách, jejich konstrukce neobsahuje žádné vzduchové mezery nebo další ocelové desky, které by mohly vytvářet vibrace. Tuto stabilitu udržuje i měděné vinutí, které těsně obepíná celý obvod jádra. Kvalita oceli zajišťuje nízkou magnetostrikci a nízké ztráty svodem. Tato kombinace vlastností téměř úplně eliminuje brum a šum pozorovaný u konvenčních transformátorů a toroidních transformátorů od výrobců používajících méně kvalitní ocel.

Nízký rozptyl Při výběru transformátoru je často důležitým kritériem pro konstruktéry elektronických zařízení, která jsou citlivá na vnější vlivy elektromagnetických polí, protože se může stát jejich zdrojem. Toroidní transformátory vyrobené společností Yudzhen LLC mají o 85. 95 % menší rozptyl než konvenční transformátory. Tohoto nízkého rozptylu je dosaženo rovnoměrným rozložením vinutí po celém povrchu toroidního jádra.