Какую роль выполняет железный сердечник в катушке
Перейти к содержимому

Какую роль выполняет железный сердечник в катушке

  • автор:

Каково назначение железного сердечника в катушке?

Железный сердечник в катушке играет важную роль в магнитном цепи и выполняет несколько функций:

  1. Усиление магнитного поля: Железо является материалом с высокой магнитной проницаемостью, что означает, что оно легко притягивается и удерживает магнитное поле. Железный сердечник в катушке создает путь с меньшим сопротивлением для магнитного потока, усиливая магнитное поле, которое создается при прохождении электрического тока через катушку. Это позволяет достичь более сильного и концентрированного магнитного поля.
  2. Концентрация магнитного поля: Железный сердечник помогает концентрировать магнитное поле внутри катушки. Поскольку магнитный материал, такой как железо, имеет высокую магнитную проницаемость, он притягивает и удерживает большую часть магнитного потока внутри себя, не допуская его рассеивания. Это позволяет более эффективно использовать магнитную энергию и повысить эффективность работы катушки.
  3. Уменьшение воздействия внешних магнитных полей: Железный сердечник также служит для защиты катушки от воздействия внешних магнитных полей. Он создает «экранный эффект», который помогает снизить влияние магнитных полей, возникающих в окружающей среде, на работу катушки. Это особенно важно в случаях, когда катушка используется для измерения или обнаружения слабых сигналов, которые могут быть искажены или затеряны из-за внешних магнитных полей.
  4. Улучшение электромагнитной индуктивности: Железный сердечник повышает электромагнитную индуктивность катушки, что означает, что она может создавать более сильное магнитное поле при заданном токе. Это полезно, например, в случаях, когда требуется высокая мощность или высокая чувствительность в магнитной системе.

Кратко говоря, железный сердечник в катушке служит для усиления и концентрации магнитного поля, защиты от внешних магнитных полей и улучшения электромагнитной индуктивности. Он играет важную роль в работе катушек и используется во многих электрических и электронных устройствах, таких как трансформаторы, индуктивности, электромагнитные клапаны и другие.

Что такое сердечник трансформатора: строение и виды магнитопроводов

Трансформатор устанавливают в электрических сетях для преобразования напряжения переменного тока. Главные части устройства – это сердечник и обмотки. Обмотки – это катушки, которые наматываются из проводящего металла на сердечник. В этих целях чаще всего используют медь или алюминий. Под нагрузкой на первичную обмотку подается напряжение. Ток пронизывает обмотку и приводит к возникновению магнитного потока в сердечнике. В результате во второй обмотке также возникает напряжение. А его величина зависит от количества витков проволоки на первичной и вторичной обмотке.

Что такое магнитопровод трансформатора и зачем он нужен?

Магнитопровод или сердечник трансформатора позволяет более эффективно преобразовывать напряжение, уменьшая при этом потери. Для изготовления сердечников используют специальную ферромагнитную сталь.

Виды сердечников трансформатора

Сердечники по строению разделяют на:

  • стержневые;
  • броневые;
  • тороидальные.

Стержневой сердечник имеет вид буквы П. Обмотки насаживаются на стержни, а сами стержни соединяются ярмом. Такая конструкция магнитопровода позволяет легко осматривать и ремонтировать обмотки. Поэтому такой тип характерен для средних и мощных трансформаторов.

Броневой сердечник Ш-образной формы. Обмотки находятся на центральном стержне. Броневые трансформаторы сложнее в производстве. И ремонтировать обмотки в них не так просто, как в стержневых.

Тороидальный сердечник имеет вид кольца с сечением прямоугольной формы. Обмотки наматываются прямо на него. Поэтому этот тип сердечников считается самым энергетически эффективным.

66-1-2.png

а – стержневой сердечник, б – броневой сердечник, в – тороидальный сердечник.

Как сократить потери в магнитопроводе трансформатора?

В работающем трансформаторе на сердечник воздействует переменное магнитное поле. В результате вокруг сердечника возникают вихревые токи. Из-за них магнитопровод нагревается – то есть часть полезной энергии уходит впустую.

На потери из-за перемагничивания влияет:

  • характер материала сердечника. Чем проще намагничивается металл, тем проще его перемагнитить и тем меньше потери в трансформаторе;
  • частота перемагничивания;
  • максимальное значение магнитной индукции.

Чтобы снизить потери, для производства сердечников используют сталь с выраженными магнитными свойствами. Такой материал требует меньше энергии на перемагничивание.

В монолитных проводниках вихревые токи приобретают максимальные значения из-за небольшого сопротивления. Следовательно, чтобы уменьшить потери в трансформаторе, нужно увеличить сопротивление материала сердечника. Производители силовых трансформаторов нашли выход: они набирают магнитопровод из металлических листов. Стальные пластины для сердечника берутся не более 0,5 мм толщиной.

Чтобы действительно снизить сопротивление вихревым токам в сердечнике, металлические пластины нужно изолировать. Для этого производители трансформаторов используют лак и окалину. Прослойка не дает влиять вихревым токам на магнитный поток в сердечнике. Поэтому потери снижаются.

Производители собирают пластины двумя способами:

  • встык – при этом собирается сам сердечник, потом на него насаживаются обмотки и только после этого все скрепляется ярмом в единую конструкцию;
  • впереплет (шихтованные сердечники) – когда каждый следующий ряд пластин перекрывает стыки на предыдущем.

Встык магнитопровод проще монтировать, но уровень потерь в них выше, чем у шихтованных сердечников. Поэтому большим спросом пользуются шихтованные трансформаторы.

Для чего нужен сердечник в электро магните, и что изменится если его убрать

Задача по физике! Катушка ( без сердечника ) соеденена паралельно с конденсатором . Почему без сердечника, какую роль он бы сыграл ?

Сердечник увеличивает индуктивность катушки

Сердечник , за счет своей магнитной проницаемости , изменяет (чаще увеличивает) индуктивность катушки, концентрируя ее поле, т.е. увеличивает значение магнитной индукции, а значит реальные возможности накопления магнитной энергии.
Однако, сердечник вносит потери, изменяя (чаще уменьшает, но может и увеличивать, особенно в низкочастотных диапазанах ) ее добротность , а значит и добротность колебательного контура.
Кроме потерь, в такую линейную систему вносится существенная нелинейность и модель описания контура должна быть изменена! Ну, например , формула Томпсона уже становиться не совсем верна.
А о стабильности параметров такого контура я уже не говорю. Поэтому, кстати все высокочастотные контура стараются делать без сердечника( хотя есть качественные ферриты и на ВЧ, только с низким значением проницаемости).

исключительно только количественную. Ни чего принципиально не изменится если вставить сердечник, просто увеличется индуктивность

Судя по условию задачи у вас не электромагнит. В данном случае это колебательный LC-контур, который на практике почти всегда требует настройки на определенную частоту. Например: настройка приемника на нужную радиоволну. Это достигается изменением емкости С или индуктивности катушки L. Увеличить индуктивность можно поместив во внутрь сердечник из феррита или железа. Латунный сердечник уменьшает индуктивность Двигая сердечник внутри катушки вы изменяете индуктивность и соответственно изменяете частоту колебательного контура. Это называется варистор, в свое время эта схема использовалась в автомобильных приемниках.

Какую роль выполняет железный сердечник в катушке

PRINT «You need»; N; «turns on a core of»; 2*c; «ram in diameter,»; c; «mm thick.»

PRINT «It will use»; Q; «meters of wire, and»

PRINT «will have a resistance of»; R; «Ohms.»

Эксперименты вскоре показали, что катушки индуктивности без магнитного сердечника имеют высокое сопротивление, и что они очень большие по своим размерам. Проблема сопротивления остается общей для всех катушек индуктивности и является основной причиной, определяющей неидельность их характеристик. Применение воздушных катушек индуктивности не ограничивается только кроссоверами громкоговорителей, но они также широко применяются в выходных фильтрах цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), в которых сопротивление обмотки не является определяющим фактором. Также катушки без сердечников получили широкое применение в радиочастотной технике.

Следует отметить, что в связи с используемыми упрощающими допущениями (не учитывается эффективность намотки, изменения диаметра провода и т. д.), использование данной формулы не позволяет получить точные результаты. В силу этого, рекомендуется при расчетах предусмотреть 5% увеличение параметров, а затем удалять витки с катушки, измеряя значение индуктивности с использованием измерительного моста.

В большом количестве измерительных мостов используется генератор, имеющий собственную частоту 1 кГц. При измерении индуктивности воздушных катушек относительно высокое значение сопротивления может подавить влияние индуктивной составляющей, в силу чего при измерениях с использованием мостовой схемы можно получить неверный результат. Если возможно для питания схемы моста использовать внешний источник переменного тока, то рекомендуется применять максимальное значение частоты, которое допускается использовать производителями измерительных мостов (как правило, частота составляет 20 кГц), что позволит более точно выполнить необходимые измерения.

Броневые сердечники с зазором

Одним из путей уменьшения сопротивления без внесения заметных искажений является использование катушки, в которой имеется магнитный сердечник с зазором. Магнитный сердечник с зазором значительно увеличивает индуктивность по сравнению с воздушной катушкой индуктивности. Однако так как воздушный зазор образует сравнительно высокое сопротивление для распространения магнитного потока, то он приглушает изменения в относительной магнитной проницаемости магнитного сердечника, имеющего низкое значение сопротивления магнитному потоку, в силу чего индуктивность катушки становится более стабильной. При увеличении величины зазора величина индуктивности снижается, и при увеличении зазора до бесконечно большого значения опять будет наблюдаться предельный случай катушки индуктивности без магнитного сердечника. Подобная конструкция была много лет назад использована отделом исследований Британской радиовещательной корпорации (Би-би-си) в катушках индуктивности кроссоверов пассивных громкоговорителей.

Катушка индуктивности с магнитным сердечником, имеющим зазор, может получиться совершенно непреднамеренно. Большое количество ферритовых сердечников, используемых для небольших катушек индуктивностей, изготавливаются в виде двух половинок, которые устанавливаются снаружи катушки и сопрягаются друг с дружкой наворачиванием половинок. Наличие пыли на сопрягаемых поверхностях приводит к увеличению зазора, и если половинки сердечника во время измерений индуктивности катушки плотно прижать одну к другой, то можно будет получить значительное увеличение индуктивности.

Если по индуктивности будет протекать постоянный ток, то очень важно, чтобы постоянный ток не вызвал переход материала сердечника в область насыщения, так как в этом случае значение индуктивности резко уменьшится, а сердечник будет сильно разогреваться. Катушки индуктивности, в которых сердечники изготовлены из железа и по катушкам которых протекают постоянная составляющая тока, обязательно имеют воздушные зазоры, для того, чтобы обеспечить максимальное значение индуктивности при максимальном значении переменного тока. При этом следует учитывать, что так как в области воздушного зазора происходит рассеяние магнитного потока, вызванного протеканием переменной составляющей, такие катушки индуктивности могут сильно влиять на соседние цепи схемы, вызывая в них паразитные наводки.

Собственная емкость катушек индуктивности

Если обмотка катушки индуктивности содержит большое количество витков, и существует разность потенциалов между отдельными витками и слоями витков, то следует ожидать, что катушка тесла будет иметь некоторую емкость, которая будет включена параллельно индуктивности самой катушки (рис. 5.12).

Эквивалентная схема замещения реальной катушки индуктивности

Рис. 5.12 Эквивалентная схема замещения реальной катушки индуктивности

Таким образом, возникает хорошо знакомая цепь с параллельным резонансом а это означает, что как только частота превысит резонансную, катушка индуктивности перестанет вести себя как индуктивность, а начнет проявлять свойства конденсатора. Самый простой способ определить величину такой паразитной емкости, это собрать тестовую схему (рис. 5.13).

Использование фигур Лиссажу для определения частоты собственного резонанса катушки индуктивности

Рис. 5.13 Использование фигур Лиссажу для определения частоты собственного резонанса катушки индуктивности

В осциллографе необходимо произвести переключение в режим работы с использованием и вертикального, и горизонтального входов «XY». При изменении частоты генератора получаемые на экране осциллографа фигуры Лиссажу будут изменяться от эллипса до прямой линии. Как раз та частота, при которой будет наблюдаться прямая линия, и будет соответствовать резонансной частоте катушке индуктивности.

Если необходимо, то можно будет рассчитать значение шунтирующей емкости, используя нижеприведенное выражение:

Мощные дроссели (катушки фильтров выпрямителей и т. п.), предназначенные для небольших ламповых усилителей, имеют, как правило, индуктивность 10—15 Гн и рассчитаны на токи 100—250 мкА. Для таких дросселей резонансная частота составляет от 3 до 12 кГц. На частотах, превышающих значение резонансной, дроссели не могут обеспечить эффективный барьер для шумов, генерируемых при выпрямлении переменного тока, или для ВЧ шумов, поступающих по сети питания.

Вопросы применения мощных дросселей будут рассмотрены позже.

Основные свойства и принцип действия идеального трансформатора нами уже рассматривались. Теперь обратимся к свойствам реальных трансформаторов, в первую очередь низкочастотных, находящих широкое применение в ламповых усилителях звуковой частоты.

В идеальном трансформаторе магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, полностью и без потерь поглощается во вторичной обмотке. В реальных трансформаторах картина, конечно, иная.

Потери в трансформаторах обычно подразделяются на две отличающиеся группы: это потери, связанные с трансформаторным железом (их происхождение связано с нендельностями сердечника трансформатора, изготовленного из специальных сортов стали), и потери «на меди» (они связаны с чисто омическими потерями в проводнике и обмотках трансформатора). Существуют также потери, связанные с наличием паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей, однако, они наиболее актуальны в радиочастотных трансформаторах. Тем не менее, при больших величинах паразитных емкостей, о них не стоит забывать и при разработке усилителей звуковой частоты повышенного качества.

Потери, вызванные сердечником трансформатора. Индуктивность рассеяния

Так как сердечник постоянно намагничивается и размагничивается, и при этом вектор напряженности магнитного поля изменяет свое направление, то для изменения ориентации магнитных диполей должна постоянно затрачиваться энергия. Эти потери, связаны с гистерезисными явлениями (остаточной магнитной индукцией при снятии внешнего магнитного поля), и могут быть рассчитаны с использованием семейства кривых гистерезиса для каждого конкретного материала, используемого при изготовлении сердечника. Так как эти потери вызываются изменением намагниченности (магнитной индукции) сердечника в течение полного цикла перемагничивания, то за одинаковый промежуток времени величина потерь будет возрастать, если будет увеличиваться частота таких изменений магнитной индукции. Поэтому потери на гистерезис возрастают пропорционально увеличению частоты, и могут быть уменьшены только путем использования материала, имеющего небольшие потери.

Магнитопровод (сердечник) низкочастотных трансформаторов изготавливается, как правило, из металла (специальных сортов электро-технической стали), поэтому он является проводником электрического тока. Наличие токопроводящего пути через сердечник способствует протеканию так называемых вихревых токов, возникающих в магнитопроводе за счет э.д.с. самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Эти вихревые токи, являясь короткозамкнутыми (или круговыми), вызывают дополнительные потери, которые с ростом частоты возрастают и становятся даже более ощутимыми, нежели потери на перемагничивание сердечника, рассмотренные выше. С учетом этих потерь, токопроводящий путь, образованный сердечником, посредством вихревых токов оказывает воздействие на любую обмотку трансформатора наравне со второй обмоткой. Для снижения рассматриваемых потерь в конструкции магнитопроводов используют набор из тонких изолированных пластин (элементарное увеличение сопротивления на пути протекания вихревых токов). На эти пластины наносится диэлектрический защитный слой, который создается либо методами химической обработки, либо нанесением специальных лаков или эмалей. Наиболее рациональным решением данной проблемы является изготовление сердечника из мельчайших частичек железа с предварительно обработанной поверхностью, а затем спрессованных вместе с использованием специальных связующих веществ, либо керамики, для образования монолитного магнитопровода. Также широко применятся ферритовые магнитопроводы. Ферриты являются оксидными магнитными материалами, представляют химические соединения окисла железа с окислами других металлов, наиболее распространены никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, изготавливают методом горячего прессования.

Вихревые токи пропорциональны квадрату частоты,/ 2 , так как потери пропорциональны не только скорости изменения напряженности магнитного поля в конкретный момент времени, но также еще и потому, что с увеличением частоты длина волны уменьшается, что позволяет формироваться большему числу замкнутых токовых контуров в сердечнике. Хотя применение тонких пластин, изготовленных из электро-технического железа, оказывается достаточным для использования в качестве материала сердечников трансформаторов, применяемых в звуковом диапазоне частот, в высокочастотном диапазоне уже становится необходимым использовать ферриты. Еще на более высоких частотах — в СВЧ диапазонах практически все магнитные материалы характеризуются настолько высокими потерями, что остается использовать трансформаторы с воздушно разделенными катушками.

Потери на перемагничивание сердечника (гистерезис) и вихревые токи достаточно часто в силовых трансформаторах объединяются под общим названием магнитных потерь и именно они чаще всего бывают причиной нагрева сердечника трансформатора даже в тех случаях, когда нагрузка к нему не подключена.

В реальных трансформаторах далеко не весь магнитный поток, образованный прохождением тока в первичной обмотке, пронизывает вторичную обмотку трансформатора и наводит в ней ЭДС. Вызвано это неидеальностью конструкции реального трансформатора. Эти потери, совместно с потерями на перемагничивание (гистерезис) и потерями на вихревые токи для трансформаторов звукового диапазона частот, также часто принято объединять в один вид потерь. В целом, эти потери количественно характеризуются так называемой индуктивностью рассеяния. С теоретической точки зрения, индуктивность рассеяния (относительно первичной обмотки) определяется путем измерения индуктивности первичной обмотки при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора. На практике точно замерить величину индуктивности рассеяния достаточно сложно, так как измерение, проведенное только на одной частоте, всегда искажается на других частотах за счет паразитных емкостей. Тем ни менее, индуктивность рассеяния является важной теоретической предпосылкой, так как она определяет высокочастотный предел нормальной работы трансформатора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *