Как рассчитать индуктивность катушек с замкнутыми сердечниками?

Всем доброго времени суток. В прошлых статьях (часть 1, часть 2, часть 3) я рассказал о расчёте индуктивности индуктивных элементов без сердечников. Однако их применение ограниченно, вследствие, больших габаритных размеров. Поэтому для увеличения индуктивности и уменьшения размеров и улучшения других показателей индуктивные элементы устанавливают на сердечники из материалов с различными магнитными свойствами.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Особенности расчёта индуктивных элементов с сердечниками

В отличие от индуктивных элементов без сердечников, при расчёте которых учитывался магнитный поток пронизывающий только проводник с током, магнитный поток индуктивных элементов с сердечниками практически полностью замыкается на сердечники. Поэтому при расчёте индуктивности таких элементов необходимо учитывать размеры сердечника и материал, из которого он изготовлен, то есть его магнитную проницаемость.

Обобщённую формулу для расчёта индуктивных элементов с сердечниками можно выразит с помощью следующего выражения

где ω – количество витков катушки,

R_M – сопротивление магнитной цепи,

μ_а – абсолютная магнитная проницаемость вещества, из которого изготовлен сердечник,

S_M – площадь поперечного сечения сердечника,

l_M – длина средней магнитной силовой линии,

Таким образом, зная размеры сердечника можно достаточно просто вычислить индуктивность. Однако в связи с такой простотой выражения и разбросом магнитной проницаемости материала сердечника, погрешность в расчёте индуктивности составит 25 %.

Для сердечников, имеющих сложную конструктивную конфигурацию, вводится понятие эффективных (эквивалентных) размеров, которые учитывают особенности формы сердечников: эффективный путь магнитной линии l_e и эффективная площадь поперечного сечения S_e сердечника. Тогда индуктивность катушки с сердечником будет вычисляться по формуле

где ω – количество витков катушки,

μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π*10^-7,

μ_r – относительная магнитная проницаемость вещества,

S_e – эффективная площадь поперечного сечения сердечника,

l_e – эффективный путь магнитной линии сердечника.

Таким образом, расчёт индуктивности индуктивных элементов с сердечниками сводится к нахождению эффективных размеров сердечника. Для упрощения нахождения данных размеров сердечника ввели вспомогательные величины, называемые постоянные сердечников:

С₁ – первая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длины однородных по сечению участков сердечника к поперечного сечения сердечника, измеряется в мм^-1;

С₂ – вторая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длин однородных по сечению участков сердечника к квадрату своего сечения, измеряется в мм

-3;

где N – количество разнородных участков сердечника,

l_N – длина N – го участка сердечника,

S_N – площадь N – го участка сердечника.

Тогда величины S_e и l_e определятся из следующих выражений

Кроме индуктивности с помощью постоянных С₁ и С­₂ определяют эффективный объём V_e, который требуется для определения параметоров силовых индуктивных элементов – трансформаторов и дросселей. Если же есть необходимость рассчитать только индуктивность L, то используют только постоянную С₁ по следующему выражению

где ω – количество витков катушки,

μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π*10^-7,

μ_r – относительная магнитная проницаемость вещества,

С₁ – первая постоянная сердечника, которая равна сумме отношений длины однородных по сечению участков сердечника к поперечного сечения сердечника.

Несмотря на довольно сложные формулировки и формулы, вычисление индуктивности по ним достаточно простое.

Выпускается достаточно много типов сердечников, которые обладают различными конструктивными особенностями и свойствами, рассмотрим некоторые из них.

Расчёт катушки с тороидальным сердечником

Тороидальные (кольцевые) сердечники, благодаря своей простоте изготовления находят широкое применение в различных импульсных трансформаторах, фильтрах и дросселях и обеспечивают небольшую потребляемую мощность при минимальных потерях.

Тороидальный сердечник.

Для расчёта индуктивности достаточно знать три конструктивных параметра такого магнитопровода: D₁ – внешний диаметр, D₂ – внутренний диаметр, h – высота сердечника.

Расчёт эффективных параметров сердечника, как сказано выше, основан на двух величинах С₁ и С₂, которые составляют

где h_e – эффективная высота сердечника,

D₁ – внешний диаметр сердечника,

D₂ – внутренний диаметр сердечника.

Расчёт эффективной высоты h

e сердечника зависит от конструктивных особенностей.

Расчёт эквивалентной высоты тороидального сердечника: прямоугольное сечение (вверху) и трапецеидальное сечение (снизу).

Рассмотрим несколько случаев:

а) прямоугольное поперечное сечение с острыми кромками

б) прямоугольное поперечное сечение со скруглёнными кромками и радиусом скругления r_s

в) трапецеидальное поперечное сечение с острыми кромками

г) трапецеидальное поперечное сечение со скруглёнными кромками

Пример. В качестве примера рассчитаем индуктивность тороидальной катушки, имеющий ω = 50 витков, намотанных на равномерно на магнитопровод со следующими размерами D

1 = 20 мм, D₂ = 10 мм, h = 7 мм, сечение магнитопровода прямоугольное со скруглёнными кромками, радиус скругления r_s = 0,5 мм, относительная магнитная проницаемость материала сердечника μ_r = 1000.

Так как рассчитываем только индуктивность, то в расчёте коэффициента С₂ нет необходимости

Расчёт катушки с П–образным сердечником прямоугольного сечения

В отличие от тороидальных сердечников, П – образные сердечники выполняются разборными и состоят из двух частей. Существует две модификации таких сердечников: состоящие из двух П – образных частей и из П – образной и прямоугольной замыкающей пластины.

Такие сердечники применяются в импульсных трансформаторах и трансформаторах строчной развертки и, обладая большой магнитной проницаемостью, обеспечивают малую потребляемую мощность.

П-образный сердечник с прямоугольным сечением: из двух П-образных частей (слева) и П-образной части с замыкающей прямоугольной пластиной (справа).

Для расчёта параметров сердечника рассмотрим сечение замкнутого П-образного сердечника

Сечение П-образного прямоугольного сердечника.
Данный сердечник состоит из нескольких участков l₁, l₂, l₃, l₄, l₅ имеющих различное сечение S₁, S₂, S₃, S₄, S₅,. Тогда коэффициенты С ₁ и С₂ составят

Неизвестные величины можно найти следующим образом

Пример. Необходимо рассчитать индуктивность обмотки трансформатора, выполненного на П-образном сердечнике фирмы Epcos типа UU93/152/16, выполненного из двух П-образных половинок, материал сердечника N87 μ_r = 1950, количество витков ω = 150.

 

Сердечник Epcos U93/76/16.

Таким образом, расчётные параметры сердечника составят

Таким образом коэффициент С1 и индуктивность L составят

Расчёт катушки с П-образным сердечником круглого сечения

Кроме П-образных катушек с прямоугольным сечение, широко применяются П-образные катушки с круговым сечением. Они также состоят из двух П-образных частей

П-образный сердечник с круговым сечением.

Для расчёта рассмотрим сечение замкнутого сердечника состоящего из двух пловинок.

Сечение П-образного сердечника с круговым сечением.

Аналогично сердечнику с прямоугольным сечением выделим пять участков длины сердечника с различным сечением и расчёт соответственно тоже. Площадь круговых участков считается по известной формуле для площади круга, влиянием технологических пазов и отверстий можно пренебречь

Пример. В качестве примера рассчитаем индуктивность катушки, выполненной на сердечнике. Сердечник из двух частей типа SDMR 40 UY20 (μ_r = 2500), количество витков ω = 60.

Сердечник типа SDMR 40 UY20.

Параметры сердечника для расчёта составят

Таким образом коэффициент С1 и индуктивность L составят

На сегодня всё. Продолжение смотри в следующей статье.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Рассчитать катушку индуктивности с помощью онлайн калькулятора

Катушки индуктивности являются неотъемлемым элементом различных радиоэлектронных схем. Основным её свойством является наличие большой индуктивности при малой емкости и низком активном сопротивлении. В этом обзоре описано, как выполнить самостоятельный расчет катушки индуктивности, какими внешними параметрами она должна обладать, что бы были достигнуты требуемые рабочие параметры.

Калькулятор расчета катушки индуктивности

Индуктивность можно рассчитать самостоятельно или выполнить онлайн расчет с помощью специального калькулятора. Для автоматического расчета наиболее часто используется программа Coil32. Её можно бесплатно скопировать с одноименного сайта либо воспользоваться онлайн калькулятором. Пользоваться этой программой достаточно просто.

При работе с ней сначала нужно выбрать тип изделия (однослойная или многослойная, с ферритовым сердечником или без него, возможны другие варианты). Задав в калькуляторе расчет геометрических параметров, диаметр провода, число витков, свойства сердечника можно с помощью программы получить ожидаемую индуктивность изделия. Для получения необходимой величины можно в расчетах изменять число витков и диаметр провода.

Собранное изделие по рассчитанным параметрам можно проверить с помощью тестера на соответствие необходимым параметрам. Такой прибор называется LC тестер. Он измеряет индуктивность катушек и ёмкость конденсаторов. При отклонении полученных параметров от заданной величины можно увеличить либо уменьшить количество витков проволоки на изделии.

При желании можно выполнить самостоятельно расчет индуктивности катушки без сердечника или с ним. Единой формулы нет, они строго индивидуальны для каждого случая. В общем случае они прямо пропорциональны количеству витков и диаметру витков. Например, расчет однослойной цилиндрической обмотки выполняют по формуле:

L = (D/10)2*n2/(4.5*D+10*l)

Где L – индуктивность в микро Генри, D – её диаметр в мм, L – длина в мм, n – число витков. Эта эмпирическая формула очень проста, она не учитывает диаметр проволоки, рабочую частоту на которой планируется применять изделие.

Расчет индуктивности катушки с сердечником более сложен. С его добавлением значение индуктивность сильно возрастает. В расчетах в формулу добавляются параметры магнитных свойств сердечника. Ещё более сложными являются формулы расчёта многослойных катушек или катушек тороидальной формы. При редком или первичном использовании лучше всего воспользоваться специальными калькуляторами. Полученные расчеты можно проверить по формулам вручную. В любом случае после изготовления можно проверить параметры собранного изделия и при необходимости их изменить.

 

Расчет многослойной катушки индуктивности онлайн

Онлайн помощник домашнего мастера

Катушки индуктивности являются неотъемлемым элементом различных радиоэлектронных схем. Основным её свойством является наличие большой индуктивности при малой емкости и низком активном сопротивлении. В этом обзоре описано, как выполнить самостоятельный расчет катушки индуктивности, какими внешними параметрами она должна обладать, что бы были достигнуты требуемые рабочие параметры.

Калькулятор расчета катушки индуктивности

Индуктивность можно рассчитать самостоятельно или выполнить онлайн расчет с помощью специального калькулятора. Для автоматического расчета наиболее часто используется программа Coil32. Её можно бесплатно скопировать с одноименного сайта либо воспользоваться онлайн калькулятором. Пользоваться этой программой достаточно просто.

При работе с ней сначала нужно выбрать тип изделия (однослойная или многослойная, с ферритовым сердечником или без него, возможны другие варианты). Задав в калькуляторе расчет геометрических параметров, диаметр провода, число витков, свойства сердечника можно с помощью программы получить ожидаемую индуктивность изделия. Для получения необходимой величины можно в расчетах изменять число витков и диаметр провода.

Собранное изделие по рассчитанным параметрам можно проверить с помощью тестера на соответствие необходимым параметрам. Такой прибор называется LC тестер. Он измеряет индуктивность катушек и ёмкость конденсаторов. При отклонении полученных параметров от заданной величины можно увеличить либо уменьшить количество витков проволоки на изделии.

При желании можно выполнить самостоятельно расчет индуктивности катушки без сердечника или с ним. Единой формулы нет, они строго индивидуальны для каждого случая. В общем случае они прямо пропорциональны количеству витков и диаметру витков. Например, расчет однослойной цилиндрической обмотки выполняют по формуле:

L = (D/10)2*n2/(4.5*D+10*l)

Где L – индуктивность в микро Генри, D – её диаметр в мм, L – длина в мм, n – число витков. Эта эмпирическая формула очень проста, она не учитывает диаметр проволоки, рабочую частоту на которой планируется применять изделие.

Расчет индуктивности катушки с сердечником более сложен. С его добавлением значение индуктивность сильно возрастает. В расчетах в формулу добавляются параметры магнитных свойств сердечника. Ещё более сложными являются формулы расчёта многослойных катушек или катушек тороидальной формы. При редком или первичном использовании лучше всего воспользоваться специальными калькуляторами. Полученные расчеты можно проверить по формулам вручную. В любом случае после изготовления можно проверить параметры собранного изделия и при необходимости их изменить.

Конвертер величин

На рисунке выше показана однослойная катушка индуктивности: Dc — диаметр катушки, D — диаметр оправки или каркаса катушки, p — шаг намотки катушки, d — диаметр провода без изоляции и di — диаметр провода с изоляцией

Для расчета индуктивности LS применяется приведенная ниже формула из статьи Р. Уивера (R. Weaver) Численные методы расчета индуктивности:

Здесь

D — диаметр оправки или каркаса катушки в см,

l — длина катушки в см,

N — число витков и

L — индуктивность в мкГн.

Эта формула справедлива только для соленоида, намотанного плоским проводом. Это означает, что катушка намотана очень тонкой лентой без зазора между соседними витками. Она является хорошим приближением для катушек с большим количеством витков, намотанных проводом круглого сечения с минимальным зазором между витками. Американский физик Эдвард Беннетт Роса (Edward Bennett Rosa, 1873–1921) работавший в Национального бюро стандартов США (NBS, сейчас называется Национальное бюро стандартов и технологий (NIST) разработал так называемые корректирующие коэффициенты для приведенной выше формулы в форме (см. формула 10.1 в статье Дэвида Найта, David W. Knight):

Здесь LS — индуктивность плоской спирали, описанная выше, и

где ks — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу между самоиндукцией витка из круглого провода и витка из плоской ленты; km — безразмерный корректирующий коэффициент, учитывающий разницу в полной взаимоиндукции витков из круглого провода по сравнению с витками из плоской ленты; Dc — диаметр катушки в см, измеренный между центрами проводов и N — число витков.

Величина коэффициента Роса km определяется по формуле 10.18 в упомянутой выше статье Дэвида Найта:

Коэффициент Роса ks, учитывающий различие в самоиндукции, определяется по формуле 10.4 в статье Д. Найта:

Здесь p — шаг намотки (расстояние между витками, измеренное по центрам проводов) и d — диаметр провода. Отметим, что отношение p/d всегда больше единицы, так как толщина изоляции провода конечна, а минимально возможное расстояние между двумя соседними витками с очень тонкой изоляцией, расположенными без зазора, равна диаметру провода d.

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки влияют несколько факторов.

• Количество витков. Катушка с большим количеством витков имеет бóльшую индуктивность по сравнению с катушкой с меньшим количеством витков.
• Длина намотки. Две катушки с одинаковым количеством витков, но разной длиной намотки имеют разную индуктивность. Более длинная катушка имеет меньшую индуктивность. Это связано с тем, что магнитное поле менее компактной катушки более слабое и оно не может хорошо концентрироваться в растянутой катушке.
• Диаметр катушки. Две плотно намотанные катушки с одинаковым количеством витков и разными диаметрами имеют разную индуктивность. Катушка с бóльшим диаметром имеет бóльшую индуктивность.
• Сердечник. Для увеличения индуктивности в катушку часто вставляется сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью. Сердечники с более высокой магнитной проницаемостью позволяют получить более высокую индуктивность. Сердечники, изготовленные из магнитной керамики — феррита, часто используются в катушках и трансформаторах различных электронных устройств, так как у них очень низкие потери на вихревые токи.

Упрощенная эквивалентная схема реальной катушки индуктивности: Rw — сопротивление обмотки и ее выводов; L — индуктивность идеальной катушки; Rl — сопротивление вследствие потерь в сердечнике; и Cw — паразитная емкость катушки и ее выводов.

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности

В этом калькуляторе мы рассматривали идеальную катушку индуктивности. В то же время, в реальной жизни таких катушке не бывает. Катушки обычно конструируются с минимальными размерами таким образом, чтобы они помещались в миниатюрное устройство. Любую реальную катушку индуктивности можно представить в виде идеальной индуктивности, к которой параллельно подключены емкость и сопротивление, а еще одно сопротивление подключено последовательно. Параллельное сопротивление учитывает потери на гистерезис и вихревые токи в магнитном сердечнике. Это параллельное сопротивление зависит от материала сердечника, рабочей частоты и магнитного потока в сердечнике.

Паразитная емкость появляется в связи с тем, что витки катушки находятся близко друг к другу. Любые два витка провода можно рассмотреть как две обкладки маленького конденсатора. Витки разделяются изолятором, таким как воздух, изоляционный лак, лента или иной изоляционный материал. Относительная диэлектрическая проницаемость материалов, используемых для изоляции, увеличивает емкость обмотки. Чем выше эта проницаемость, тем выше емкость. В некоторых случаях дополнительная емкость может появиться также между катушкой и противовесом, если катушка расположена над ним. На высоких частотах реактивное сопротивление паразитной емкости может быть весьма высоким и игнорировать его нельзя. Для уменьшения паразитной емкости используются различные методы намотки катушек.

Для уменьшения паразитной емкости катушки с высокой добротностью для радиопередатчиков наматывают так, чтобы было достаточно большое расстояние между витками

Если индуктивность большая, то сопротивление обмотки (Rw на схеме) игнорировать уже нельзя. Тем не менее, оно мало по сравнению с реактивным сопротивлением больших катушке на высоких частотах. Однако, на низких частотах и на постоянном токе это сопротивление необходимо учитывать, так как в этих условиях через катушку могут протекать значительные токи.

Катушки индуктивности и обмотки в различных устройствах

Сердечники катушек индуктивности — выбор материала и формы

Автор: Mark A. Swihart, Менеджер отдела прикладной техники Magnetics Inc, отделение Spang&Co. Питтсбург, Пенсильвания, США.

Резюме: Внимательное рассмотрение характеристик силовых катушек индуктивности часто является ключевым фактором успешного конструирования компактных и экономичных преобразователей с высоким к.п.д. Во многих вариантах применения катушек индуктивности порошковые сердечники обладают явными преимуществами в сравнении с сердечниками, изготовленными из других материалов – таких, как ферриты или стальные ламинаты. В распоряжении разработчика имеется множество вариантов выбора материала и формы порошкового сердечника, каждый из которых является выбором компромисса по таким характеристикам, как величина потерь, стоимость, габариты и простота намотки. Кроме того, при изменении критериев конструирования изменяется комбинация преимуществ и недостатков каждого из материалов для порошкового сердечника. Понимание этих преимуществ и недостатков необходимо для осуществления правильного выбора.

Катушка индуктивности является устройством, фильтрующим ток. Создавая препятствия прохождению тока, фильтрующая катушка индуктивности фактически накапливает электрическую энергию по мере того, как переменный ток нарастает в каждом цикле, и высвобождает данную энергию, когда ток спадает до минимума. В силовых катушках индуктивности требуется наличие воздушного зазора внутри конструкции сердечника. Назначение воздушного зазора состоит в накапливании энергии и в предотвращении насыщения сердечника при нахождении его под нагрузкой. В иной формулировке, назначение воздушного зазора состоит в том, чтобы уменьшать и регулировать эффективную магнитную проницаемость магнитной конструкции. Поскольку μ = B/H, то уменьшение μ означает увеличение H (то есть, рост электрического тока), который поддерживается при уровне B, меньшем максимально допустимого значения магнитной индукции (B_sat), являющегося внутренней (природной) характеристикой заданного магнитного материала.

Существует общее ограничение, связанное с узкими пределами изменений индукции насыщения Bsat. Физика мягких магнитных материалов такова, что значение B_sat материалов, доступных на современном рынке, составляет примерно от 0,3T до 1,8T. В наиболее экзотичном имеющемся материале, каковым является сплав кобальта – железа – ванадия (супермендюр), это значение достигает 2,2T. Более высокие значения не существуют.

Воздушный зазор в силовых катушках индуктивности может быть распределенным или дискретным. Распределенные зазоры создаются в порошковых сердечниках. На микроскопическом уровне, гранулы порошка магнитного сплава отделяются одна от другой посредством изоляции связующим веществом или посредством высокотемпературной изоляции покрытия каждой гранулы. (Это не относится к уровню магнитных доменов; домены имеют размеры намного меньше размеров гранул порошкового сердечника). Распределение зазора по всей конструкции порошкового сердечника служит двум основным целям: (1) устраняются недостатки конструкции с дискретным зазором, каковыми являются резкое насыщение, краевые потери и электромагнитные помехи (EMI), и (2) регулируются потери от вихревых токов до такой степени, при которой сплавы с повышенным значением B_sat могут быть использованы на относительно высоких частотах, несмотря на относительно низкое значение объемного удельного сопротивления в сплаве.

Дискретные зазоры используются главным образом в ферритовых сердечниках. Основным функциональным преимуществом феррита являются низкие потери по переменному току в сердечниках при работе на высокой частоте, что объясняется более высоким удельным сопротивлением в керамическом материале по сравнению с металлическими сплавами. Ферриты находятся на нижнем конце существующей области значений B_sat, и они существенно смещаются в сторону дальнейшего понижения B_sat при повышении температуры. Конструкция с дискретным зазором приводит к созданию катушки индуктивности, в которой достигается точка резкого насыщения и при этом требуется большая габаритная высота в конструкции. Дискретные зазоры приводят также к получению катушек индуктивности, которые уязвимы к потерям от вихревых токов в обмотке вследствие краевого эффекта и имеют тенденцию к генерации электромагнитных помех (EMI). Дискретные зазоры используются также в аморфных и нанокристаллических ленточных сердечниках с ориентацией потока вдоль волокна, имеющих улучшенные показатели потерь по переменному току в сравнении с порошковыми сердечниками, но зачастую более дорогостоящих.

Разработчик катушки индуктивности должен выполнять требования по накапливанию энергии (величине индуктивности) и одновременно учитывать требования к суммарным потерям, рабочему объему, стоимости, электромагнитным помехам, температурным характеристикам, надежности и устойчивости к отказам.

Во многих случаях порошковые сердечники обладают явными преимуществами. При этом разработчик имеет множество вариантов выбора среди имеющихся порошковых сердечников.

Сердечники MPP (из мо-пермаллоевого (Molypermalloy) порошка) представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля, железа и молибдена. MPP обеспечивает самые низкие потери в сердечнике по сравнению с другими материалами для порошкового сердечника, но сердечники из данного сплава являются при этом самыми дорогостоящими ввиду высоких затрат на технологическую обработку и по причине 80-процентного содержания никеля в сплаве. Тороидальные сердечники из MPP выпускаются с наружными диаметрами от 3,5 мм до 125 мм.

Сердечники High Flux представляют собой тороидальные сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом никеля с железом. Сплав High Flux содержит 50% никеля, по затратам на технологическую обработку сравним с MPP и по цене обычно выигрывает по сравнению с MPP примерно 5% – 25%. High Flux характеризуется более высокими потерями в сердечнике, нежели MPP и Kool Mμ, но благодаря своему повышенному значению B_sat сплав High Flux имеет оптимальное соотношение между магнитной проницаемостью и силой подмагничивания. Иными словами, повышенное значение B_sat трансформируется в оптимальную стабильность (самый низкий уровень сдвига) катушки индуктивности в условиях сильного подмагничивания постоянным током или при высоких пиковых значениях переменного тока. Как и сердечники из MPP, сердечники из сплава High Flux не получили широкого распространения в каких-либо геометрических формах, кроме тороидов.

Сердечники Kool Mμ®, или «сендаст», представляют собой сердечники с распределенным воздушным зазором, изготавливаемые из порошкового материала, являющегося сплавом железа, алюминия и кремния. По характеристикам подмагничивания постоянным током материал Kool Mμ сравним с MPP. Отсутствие никеля в формуле сплава делает Kool Mμ намного более экономичным, чем MPP. Основной недостаток Kool Mμ состоит в том, что данный сплав имеет более высокие потери по переменному току, нежели MPP. Этот сплав призван служить практичной альтернативой в случаях, когда порошковое железо имеет слишком высокие потери (в типовых случаях при умеренных или высоких значениях частоты) и при этом использование MPP является слишком дорогостоящим. Сердечники из Kool Mμ выпускаются не только в форме тороидов, но и в виде E-сердечников, что позволяет в максимально возможной степени снизить затраты на намотку.

В таблице 1 приведены сравнительные данные о свойствах различных материалов для сердечников.

	MPP	High Flux	Kool Mμ	Железный порошок
Проницаемость	14 — 550	14 — 160	26 — 125	10 — 100
Насыщение (Bsat)	0,7 T	1,5 T	1,0 T	1,2 — 1,4 T
Максимальная температура (°C)	200	200	200
Потери в сердечнике по переменному току	Самые низкие	Высокие	Низкие	Самые высокие (и переменные)
Форма сердечника	Тороид	Тороид	Тороид, E-сердечник	Тороид, E-сердечник, другие формы

Сердечники из железного порошка имеют более высокие внутренние потери (потери в сердечнике), чем сердечники из MPP, High Flux или Kool Mμ, но обычно являются менее дорогостоящими. Железный порошок часто является оптимальным выбором для силовых катушек индуктивности, в которых не требуется максимально высокий к.п.д. и миниатюрные размеры, но критичным показателем является цена; этот выбор может быть оптимальным также при работе на очень низкой частоте или с очень малой амплитудой пульсаций переменного тока (что означает очень слабый магнитный поток от переменного тока и соответственно низкие потери по переменному току). Большинство сердечников из железного порошка содержит связующее вещество для изоляции между гранулами, и это вещество уязвимо к пробоям при работе с высокими температурами в течение длительного времени, поэтому разработчику может понадобиться учет кривых теплового старения для выбираемого железного порошка. Значения плотности штамповки (то есть, прижимных усилий сжатия) для железных порошков являются умеренно высокими, поэтому данные материалы обеспечивают возможность широкого разнообразия геометрических форм, включая тороидальные сердечники, E-сердечники, броневые сердечники, U-сердечники и стержневые сердечники. Для сердечников с очень сильными токами, но без необходимости работы на высоких частотах, крупногабаритный E-сердечник, U-сердечник или броневой сердечник из порошкового железа может оказаться единственным практически приемлемым вариантом.

Ферритовые сердечники с зазором являются альтернативой порошковым сердечникам при выборе вариантов конструирования. Как видно из рисунка 1, порошковые материалы насыщаются постепенно и при этом сохраняют полезную предсказуемую индуктивность даже при существенном нарастании тока нагрузки. Ферритовый сердечник с зазором сохраняет значение индуктивности, приближенное к значению при отсутствии подмагничивания, пока не происходит насыщение, при котором наблюдается резкое спадание индуктивности. При создании конструкций с ферритами для работы на повышенных температурах необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. Как видно из рис. 2, мощность потока индукции любого силового феррита существенно уменьшается при повышении температуры; в то же время, мощность потока индукции порошковых сердечников фактически не зависит от температуры.

Кривая плавного насыщения порошкового сердечника отражает существенные преимущества для конструирования: (1) рабочая точка в основной части кривой (80% — 50%), позволяющая повысить степень компактности конструкции; (2) минимальный сдвиг при изменении температуры; (3) малая чувствительность к изменениям кривой как в части температуры, так и в части допусков на материал; (4) природная устойчивость к отказам; (5) естественные колебания индуктивности – высокое значение L при низкой нагрузке, регулируемая индуктивность при высокой нагрузке. Другие преимущества порошковых сердечников в сравнении с ферритовыми сердечниками состоят в том, что порошковые сердечники не уязвимы к краевым потерям и к EMI-эффектам в зазоре и имеют более высокие значения внутренней B_sat.

Рисунок 1. Кривые подмагничивания постоянным током для феррита и Kool Mμ.

Рисунок 2. Кривая насыщения для силового феррита.

Возможными вариантами применения катушки индуктивности, в частности, являются:

1. Компактная катушка индуктивности цепи постоянного тока (DC) с малыми пульсациями переменного тока (конструкция с ограниченным размером окна)
2. Крупногабаритная катушка индуктивности цепи постоянного тока (конструкция с ограничением насыщения)
3. Катушка индуктивности с сильным переменным током (конструкция с ограничением потерь в сердечнике)

Каждый из трех вариантов характеризуется специфическими требованиями к конструкции. В компактной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительный фактор определяется в большей степени доступным размером окна сердечника, нежели площадью поперечного сечения сердечника. Окно сердечника должно быть достаточно большим для того, чтобы расположить в нем количество витков провода, достаточное для получения требуемой индуктивности. В крупногабаритной катушке индуктивности цепи постоянного тока ограничительным фактором часто является точка насыщения сердечника. Сердечник должен иметь достаточно крупные габариты и достаточно малую магнитную проницаемость, чтобы избежать насыщения (или смещения величины индуктивности ниже минимального требуемого уровня). Эти факторы требуют увеличения числа витков и длины медных проводов, что вызывает проблему в виде потерь в проводах. Основным ограничительным фактором для катушки индуктивности с сильным переменным током являются потери в сердечнике. Поскольку потери в сердечнике зависят от колебаний потока, создаваемого переменным током, а не уровнем индукции, создаваемой постоянным током, потери в сердечнике становятся доминирующим фактором, определяющим выбор конструкции.

Ниже приведены в качестве примера требования, которым должна отвечать типовая конструкция.

Постоянный ток (IDC)	500 мА (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin)	100 мкГ
Пульсации переменного тока (Iac)	50 мА (пиковый размах)
Частота (f)	100 кГц

Для конструирования катушки с данными характеристиками компания Magnetics использует программное обеспечение Inductor Design Using Powder Cores (Конструирование катушки индуктивности с использованием порошковых сердечников). В данной программе реализуется алгоритм конструирования, имеющий целью определение минимально возможных габаритов модуля для заданных входных параметров (значений тока, индуктивности, частоты и др.). Программа определяет размер требуемого сердечника, исходя из необходимой величины энергетического показателя в виде произведения, получаемого умножением индуктивности при полной нагрузке на квадрат пикового значения тока (постоянного тока с приращением на пульсацию переменного тока), проходящего через катушку индуктивности. Увеличение значений индуктивности и силы тока подразумевают увеличение габаритов сердечника. Программы выполнялись с вводом указанных выше исходных значений конструирования, а материал сердечника выбирался вручную для каждого из типов сердечников, указанных ниже в таблице 2. Число витков, коэффициент плотности намотки провода, габариты намотки, величина потерь и рост температуры были определены по выходным данным выполняемых программ.

	MPP	High Flux	Kool Mμ, торидальные сердечники	Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента	55025-A2	58278-A2	77280-A7	K1808E090
Проницаемость	300	160	125	90
Габариты сердечника (дюймы)	0,335 x 0,150	0,405 x 0,150	0,405 x 0,150	0,77 x 0,65 x 0,19
AL (нГ/виток²)	124	68	53	69
Число витков	32	41	48	39
Коэффициент плотности намотки провода	37%	31%	37%	14%
Габариты обмотки (дюймы)	0,375 x 0,209	0,448 x 0,209	0,455 x 0,209	0,77 x 0,65 x 0,644
Потери в сердечнике (мВт)	2,0	0,7	0,7	0,5
Потери в проводе (мВт)	24,2	33,3	40,0	83,0
Суммарные потери (мВт)	26,2	34,0	40,7	83,5
Рост температуры (°C)	6,1	6,0	6,9	4,3

В каждом случае программы определяли самое высокое значение магнитной проницаемости из числа значений, имеющихся для выбранного материала. С учетом относительно слабого тока, любое уменьшение магнитной проницаемости выбранного материала не приводит к оптимизации индуктивности при пиковой нагрузке; в этих условиях больше теряется ввиду уменьшения индуктивности при отсутствии нагрузки, нежели приобретается за счет оптимизации кривой спадания силы подмагничивания постоянным током. Потери в сердечнике и рост температуры не являются важными влияющими факторами в катушке индуктивности данного типа вследствие низкой магнитной индукции по переменному току в сердечнике. Например, в сердечнике High Flux сила намагничивания H определяется по закону Ампера следующим образом:

H (эрстеды) = .4 (π) (N) (I)/L_e, где:

N — число витков
I — ток в амперах
L_e — длина линии магнитной индукции сердечника в см.

Сердечник 58278-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 2,18 см, поэтому сила намагничивания постоянным током равняется:

H = .4 (π) (41) (0,5)/(2,18) = 11,8 эрстед

Процент начальной магнитной проницаемости, или значение «спадания», можно определить по данным, публикуемым в справочнике Magnetics по порошковым сердечникам (см. рис. 3).

Рисунок 3. Кривая спадания подмагничивания постоянным током для High Flux.

Кривая проницаемости 160 для High Flux показывает, что магнитная проницаемость при силе подмагничивании постоянным током, равной 11,8 эрстедам, равняется примерно 90% начального значения этой проницаемости. Эта рабочая точка является консервативной рабочей точкой для данного материала, но возможности конструирования ограничиваются в большей степени не уровнем насыщения сердечника, а площадью окна сердечника. Коэффициент заполнения окна для катушки данного типа равняется 37%, что приближается к типовому предельному значению для тороидальных сердечников. Усилия по уменьшению габаритов сердечника с целью получения преимуществ от имеющейся мощности магнитной индукции приводят к нереалистичным значениям коэффициента заполнения окна, равным 50% и более.

Как видно из приводимых данных, тороидальный сердечник MPP обеспечивает получение наиболее компактной и эффективной конструкции вследствие того, что данный материал доступен для использования с более высоким значением магнитной проницаемости (300μ), чем другие материалы. Это трансформируется в более высокое значение коэффициента одновитковой индуктивности (A_L) при заданном размере сердечника, что позволяет снижать габариты используемого сердечника. Компромиссным фактором является ускоренное спадание силы намагничивания постоянным током. Тороидальный сердечник Kool Mμ является привлекательным в основном благодаря существенным преимуществам в цене. Выбираемый E-сердечник из материала Kool Mμ является самым «миниатюрным» из числа сердечников, имеющихся в настоящее время, и имеет избыточные габариты для рассматриваемого здесь набора требований.

Типовыми требованиями к катушкам данного типа являются:

Постоянный ток (IDC)	20 А (не более)
Требуемая индуктивность (Lmin)	100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac)	1 А (пиковый размах)
Частота (f)	100 кГц
Максимальный рост температуры (°C)	40°C

В таблице 3 приведены применимые данные конструирования, полученные на выходе программы для данного случая.

	MPP	High Flux	Kool Mμ, торидальные сердечники	Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента	55868-A2	58867-A2	77868-A7	K5528E040
Проницаемость	26	60	26	40
Габариты сердечника (дюймы)	3,108 x 0,545	3,108 x 0,545	3,108 x 0,545	2,19 x 2,20 x 0,81
AL (нГ/виток²)	30	68	30	157
Число витков	62	45	70	30
Коэффициент плотности намотки провода	24%	18%	27%	72%
Габариты обмотки (дюймы)	3,657 x 0,884	3,514 x 0,884	3,720 x 1,053	2,19 x 2,20 x 1,98
Потери в сердечнике (мВт)	116	230	182	290
Потери в проводе (мВт)	14371	9780	16959	5489
Суммарные потери (мВт)	14487	10010	17141	5779
Рост температуры (°C)	35,3	27,4	37,7	22,4

Для катушки данного типа необходимо выбирать сердечники с пониженной магнитной проницаемостью и с большим поперечным сечением, чтобы избежать насыщения при высоком уровне подмагничивания постоянным током.

Сердечник 58867-A2 имеет длину линии магнитной индукции, равную 20 см, поэтому сила намагничивания H равняется:

H = 0,4 (π) (45) (20)/(20) = 56,5 эрстед

Кривая для материала High Flux с магнитной проницаемостью 60 на рисунке 3 показывает, что магнитная проницаемость составляет примерно 83% своего начального значения при силе подмагничивания постоянным током, равной 56,5 эрстедам, что соответствует безопасной рабочей точке. Критичным параметром является в данном случае не коэффициент плотности намотки провода, а рост температуры вследствие потерь в меди. Последующие итерации при конструировании должны быть направлены на увеличение диаметра провода или на использование многожильного провода для уменьшения плотности тока с целью снижения потерь в меди, что достигается ценой повышения плотности намотки. Из приводимых данных можно видеть, что High Flux обеспечивает конструирование тороидальных сердечников с меньшим ростом температур, нежели другие материалы. Высокая индкуция насыщения данного материала и улучшенные характеристики подмагничивания постоянным током позволяют выбирать сердечники с повышенной магнитной проницаемостью и увеличенным значением A_L, что позволяет уменьшить число витков и сократить потери в меди. И в этом случае потери в сердечнике малы следствие относительно слабого потока подмагничивания переменным током в сердечнике.

Конструкция E-сердечника из материала Kool Mμ превосходит аналоги в части потерь благодаря тому, что поперечное сечение E-сердечника (и значение A_L) намного превышают аналогичные показатели тороидальных сердечников. Это позволяет уменьшить и существенно сократить потери в меди. E-сердечник имеет относительно малую площадь окна, что подразумевает повышенный коэффициент плотности намотки (72%), но это достижимо в конструкциях с бобинной намоткой. Для E-сердечников допускается вариант с намоткой фольги. Недостаток состоит в том, что суммарная высота E-сердечника с готовой обмоткой примерно в 2 раза превышает аналогичную высоту в других конструкциях.

Типовыми требованиями к катушкам индуктивности переменного тока являются:

Постоянный ток (IDC)	4 А (номинал)
Требуемая индуктивность (Lmin)	100 мкГ (минимум)
Пульсации переменного тока (Iac)	8 А (пиковый размах)
Частота (f)	100 кГц
Максимальный рост температуры (°C)	35°C

В отличие от малых и крупногабаритных катушек индуктивности постоянного тока, рассмотренных в двух предыдущих примерах, генерация тепла, сопутствующая потерям в сердечнике, в катушке индуктивности переменного тока достаточно велика для того, чтобы являться первичным ограничительным фактором при выборе конструкции. Варианты выбора конструкции ограничиваются ростом температуры вследствие потерь в сердечнике, или целевым показателем к.п.д. В таблице 4 приведены значения характеристик для данного примера.

	MPP	High Flux	Kool Mμ, тороидальные сердечники	Kool Mμ, E-сердечники
Номер компонента	55440-A2	58441-A2	77191-A7	K4020E026
Проницаемость	26	14	26	26
Габариты сердечника (дюймы)	1,875 x 0,745	1,875 x 0,745	2,285 x 0,635	1,71 x 1,67 x 0,61
AL (нГ/виток²)	59	32	60	80
Число витков	42	57	43	37
Коэффициент плотности намотки провода	12%	16%	10%	23%
Габариты обмотки (дюймы)	1,982 x 0,843	2,019x 0,940	2,375 x 0,733	1,71 x 1,67 x 1,53
Потери в сердечнике (мВт)	2947	3316	4110	3255
Потери в проводе (мВт)	1722	2352	1836	2212
Суммарные потери (мВт)	4669	5668	5946	5467
Рост температуры (°C)	31,7	34,9	32,1	31,8

Для определения потерь в сердечнике необходимо вычислить колебания потока подмагничивания переменным током в сердечнике. Поток подмагничивания постоянным током не вызывает потерь в сердечнике. Первым шагом расчета является вычисление силы намагничивания H по закону Ампера с использованием размаха значений переменного тока (в данном случае пиковый размах составляет 8 А). Для сердечника 58441-A2 из материала High Flux длина линии магнитной индукции равняется 10,74 см.

H = 0.4 (π) (57) (8)/(10.74) = 53,4 эрстед

Изменение плотности потока можно определить путем приложения данного результата к нормальной кривой намагничивания из справочника (см. рис. 4).

Рисунок 4. Кривые намагничивания при высокой плотности потока намагничивания.

Диапазон изменения силы намагничивания составляет от 0 эрстед до 53,4 эрстед. В случае материала с магнитной проницаемостью 14 это трансформируется в диапазон изменения магнитной индукции от 0 гаусс до 600 гаусс – то есть, ΔB = 600 гаусс. Кривые потери для мягких магнитных материалов подразумевают биполярный режим работы (сердечник возбуждается в первом и третьем квадрантах петли гистерезиса B-H). Следовательно, независимо от того, является ли схема биполярной или однополярной, значение магнитной индукции, которое действует, всегда равняется ½ΔB. В данном случае плотность магнитной индукции переменного поля равняется 300 гаусс. Из рисунка 5 видно, что при 300 гауссах на частоте 100 кГц плотность потерь составляет примерно 150 мВт/см³. По справочнику можно определить, что объем сердечника 58441-A2 равняется 21,3 см³, поэтому суммарные потери в сердечнике равняются произведению от умножения (150) на (21,3) – то есть, 3195 мВт. Программное обеспечение, использующее уравнения в привязке к кривым, вычислило потери в сердечнике, равняющиеся 3316 мВт.

Рост температуры вычисляется, исходя из указанной ниже аппроксимации.

Рост температуры (°C) = [Суммарные потери мощности (мВт)/площадь поверхности (см²)]^0,833

Согласно выходным данным программного обеспечения, суммарные потери мощности для катушки индуктивности High Flux равняются 5668 мВт. Сердечник 58438-A2 имеет без обмотки площадь поверхности 69,3 см², а с полной обмоткой – 94,3 см² (значения взяты из справочника). Программное обеспечение интерполирует площадь поверхности для коэффициента плотности намотки провода, равного 17%, и получает значение площади поверхности, равное 79,3 см². Рост температуры, вычисляемый в этом случае по приведенному выше уравнению, равняется примерно 35°C. Заметим, что данная оценка является довольно грубым приближением, поскольку характеристики тепловыделения зависят не только от величины потерь, но и от механической конфигурации, вида сборочных материалов и от течения воздуха.

Рисунок 5. Кривые потерь в сердечнике при высоком уровне потока намагничивания.

В общем, характеристики потерь, по которым MPP обладает преимуществом над другими материалами, позволяют использовать катушки индуктивности с меньшими габаритами и более высокими значениями к.п.д. Суммарные потери в случае MPP составляют на 15% меньше потерь материала, являющегося следующим в сторону увеличения потерь. Поскольку материал High Flux обладает более высокими потерями, чем MPP, для сохранения одинаковой величины потерь необходимо выбирать сердечник с более низкой магнитной проницаемостью. Это, однако, приводит к увеличению числа витков, росту потерь в меди и к некоторому увеличению общих габаритов модуля. Причина того, что пониженная магнитная проницаемость приводит к уменьшению плотности потока переменного поля (то есть, к уменьшенным потерям в сердечнике) является очевидной и состоит в том, что наклон кривых для материалов с пониженной магнитной проницаемостью имеет на графике кривых намагничивания меньшую крутизну (см. рис. 4). Материал Kool Mμ требует еще большего увеличения общих габаритов, но суммарные потери сравнимы с потерями для High Flux. И в этом случае возможен вариант с E-сердечником Kool Mμ, который имеет несколько меньшие потери, уменьшенную площадь основания, но увеличенную габаритную высоту.

E-сердечник Kool Mμ является самым экономичным из четырех рассмотренных вариантов; вместе с тем, преимущества от габаритов и к.п.д. тороидального сердечника MPP становятся менее очевидными из-за самой высокой стоимости данного сердечника. Сердечники High Flux и MPP имеют одинаковые габариты и сравнимы по цене, поскольку порошки 14μ являются более дорогостоящими в производстве и в штамповке, нежели порошки 26μ.

Для требуемой катушки индуктивности решение о выборе материала определяется комбинацией следующих ограничительных факторов: пространство, к.п.д., удобство сборки, суммарная стоимость, индуктивность в зависимости от характеристик нагрузки, роста и рабочей температуры. Среди порошковых сердечников материал MPP превосходит другие материалы по такому свойству, как потери в сердечнике, и обладает самым высоким значением применимой магнитной проницаемости. High Flux обладает преимуществами над другими материалами в случаях, когда определяющими ограничительными факторами является минимизация габаритов и намагничивание постоянным полем. Kool Mμ является более экономичным материалом, нежели MPP или High Flux, и является стандартным материалом как для тороидальных сердечников, так и для E-сердечников. Сердечники на основе распыленного железа (Iron powder cores) являются менее дорогостоящими, чем Kool Mμ, но серьезно ухудшают характеристики изделия.

1. Magnetics «Inductor Design Using Powder Cores» software PCD-3.1
2. Magnetics «Powder Cores Design Manual and Catalog»

 

Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения – РТС-тендер

Термин	Определение
1. Катушка индуктивности Катушка Ндп. Индуктивный элемент Намоточный элемент Е. Inductance coil F. Bobinе d’inductance	Индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования ее добротности. Примечание. Индуктивная катушка — по ГОСТ 19880-74*
________________ * На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 52002-2003 (здесь и далее).
2. Катушка индуктивности с магнитным сердечником Катушка с сердечником Е. Inductance coil with magnetic core F. Bobine d’inductance noyau magnetique	—
3. Катушка индуктивности без магнитного сердечника Катушка без сердечника Е. Coreless coil F. Bobine d’inductance sans noyau	—
4. Высокочастотная катушка индуктивности Высокочастотная катушка Е. High-frequency inductance coil F. Bobine d’inductance haute	—
5. Магнитный сердечник катушки индуктивности Сердечник катушки Ндп. Магнитопровод Е. Magnetic core of inductance coil F. Noyau de bobine d’inductance	Деталь или сборочная единица из магнитного материала, предназначенная для сосредоточения в ней магнитного потока
6. Подстроечный сердечник катушки индуктивности Подстроечник Ндп. Сердечник Е. Abjuster adjusting core of inductance coil F. Noyau plongeur	Деталь, обеспечивающая возможность изменения индуктивности катушки без изменения числа витков обмотки
7. Кольцевая катушка индуктивности с сердечником Ндп. Тороидальная катушка с сердечником Е. Circular cored coil F. Bobine d’inductance circulare noyau	Катушка индуктивности, сердечник которой имеет форму кольца
8. Броневая катушка индуктивности Броневая катушка Е. Pot core coil assembly F. Bobine de type	Катушка индуктивности, обмотка которой расположена внутри броневого сердечника
9. Цилиндрическая катушка индуктивности с сердечником Е. Cylindrical cored coil F. Bobine cylindrique noyau	Катушка индуктивности, сердечник которой имеет форму цилиндра
10. Кольцевая катушка индуктивности Кольцевая катушка Ндп. Тороидальная катушка Е. Ring coil F. Bobine toroidale	Катушка индуктивности без магнитного сердечника, обмотка которой имеет форму кольца
11. Цилиндрическая катушка индуктивности Цилиндрическая катушка Е. Cylindrical inductance coil F. Bobine cylindrique	Катушка индуктивности без магнитного сердечника, обмотка которой имеет форму цилиндра
12. Спиральная катушка индуктивности Спиральная катушка Е. Spiral coil F. Bobine plate	Катушка индуктивности, обмотка которой имеет форму плоской спирали
13. Керн броневого сердечника Керн	Сплошной или с осевым отверстием цилиндр из магнитного материала, расположенный в центре чашки
14. Чашка броневого сердечника Чашка Ндп. Горшок E. Cup F. Coquille	Полый цилиндр с основанием из магнитного материала. Примечание. Цилиндр может составляться из отдельных деталей
15. Броневой цилиндрический сердечник Броневой сердечник Ндп. Горшкообразный сердечник Е. Cup core F. Noyau en forme de pot	Сердечник, состоящий из двух чашек, образующих замкнутый полый цилиндр с внутренним керном, на котором располагается обмотка. Примечание. Сердечник может составляться из отдельных деталей и иметь внутренний воздушный зазор, расположенный перпендикулярно силовым магнитным линиям
16. Чашечный сердечник Е. Cup core F. Noyau de type	Сердечник, состоящий из двух чашек без внутреннего керна, образующих замкнутый полый цилиндр, в котором расположена обмотка
17. Стержневой сердечник Е. Rod type core F.	Сердечник, имеющий форму гладкого или с резьбой цилиндра. Примечание. Сердечник может иметь осевое отверстие
18. Подстраиваемая катушка индуктивности Подстраиваемая катушка Е. Adjustable coil F. Bobine d’inductance	Катушка индуктивности, индуктивность которой может быть изменена в заданных пределах
19. Неподстраиваемая катушка индуктивности Неподстраиваемая катушка Е. Fixed coil F. Bobine fixe	Катушка индуктивности, индуктивность которой постоянна
20. Обмотка Ндп. Намотка Е. Winding F. Enroulement	По ГОСТ 18311-80
21. Намотка Е. Winding F. Bobinage	Процесс укладки и закрепления одного или одновременно двух и более проводов на каркасах и сердечниках
22. Шаг намотки Е. Pitch of winding F. Pas des spires	Расстояние между осевыми или образующими линиями провода двух соседних витков
23. Виток обмотки Виток E. Tum F. Spire	Отрезок провода, расположенный по замкнутому периметру, начало и конец которого смещены по оси или радиусу обмотки на заданное расстояние
24. Отвод катушки индуктивности Е. Tapping F. Plot	Вывод от части витков обмотки
25. Однослойная (многослойная) обмотка	Обмотка, все витки которой расположены в один (более одного) слой
26. Рядовая обмотка Е. Ordinary	Обмотка, витки которой располагаются в ряд вдоль ее оси с шагом, равным наружному диаметру провода. Примечание. Обмотка может иметь любое число рядов
27. Произвольная рядовая обмотка Произвольная обмотка Е. Random winding	Обмотка, витки которой раcполагаются вдоль ее оси произвольно в любое число рядов
28. Шаговая обмотка Е. Spaced winding	Однослойная обмотка, витки которой расположены с заданным шагом
29. Универсальная обмотка Е. Universal winding F. Enroulement universelle	Обмотка, витки которой располагаются под углом к плоскости ее вращения и имеют резкие перегибы у торцов обмотки
30. Секционированная обмотка Е. Split winding F. Enroulement	Обмотка, витки которой уложены группами вдоль ее оси
31. Спиральная обмотка Е. Spiral winding F. Enroulement en forme de spirale	Обмотка, витки которой уложены в виде плоской спирали
32. Собственная индуктивность катушки Индуктивность Е. Inductance of coil F. Inductance de bobine	Отношение потокосцепления самоиндукции катушки индуктивности к току, протекающему через нее
33. Номинальная индуктивность Номинальная индуктивность Е. Nominal value of inductance F. Valeur d’inductance nominal	Значение индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений
34. Начальная индуктивность катушки Начальная индуктивность Ндп. Индуктивность на низкой частоте Е. Initial inductance of coil F. Valeur d’inductance initiale	Значение индуктивности, определенное при условии отсутствия влияния собственной емкости, изменения начальной проницаемости сердечника и собственной индуктивности
35. Эффективная индуктивность катушки Эффективная индуктивность Ндп. Действующее значение Е. Effective value of inductance coil F. Valeur effectif d’inductance	Значение индуктивности, определенное с учетом влияния собственной емкости, собственной индуктивности и изменения начальной проницаемости сердечника
36. Индуктивность катушки без подстроечника Индуктивность без подстроечника Е. Value of inductance of coil without adjuster F. Valeur d’inductance de bobine sans noyau plongeur	Значение индуктивности подстраиваемой катушки при отсутствии подстроечника или при расположении подстроечника вне зоны его влияния на индуктивность
37. Индуктивность катушки с подстроечником Индуктивность с подстроечником Е. Value of inductance of coil with adjuster F. Valeur d’inductance de bobine noyau plongeur	Значение индуктивности подстраиваемой катушки при расположении подстроечника в зоне его влияния на индуктивность
38. Допуск индуктивности катушки Допуск индуктивности Е. Tolerance on inductance value of coil F. sur l’inductance de bobine	Разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями индуктивности, выраженная в единицах индуктивности или в процентах к номинальному значению
39. Допускаемое отклонение индуктивности катушки Е. Permissible deviation of inductance F. Ecart admissible d’inductance	Разность между одним из предельных и номинальным значениями индуктивности
40. Среднее значение индуктивности катушки Е. Mean value of inductance F. Valeur moyenne d’inductance	Значение индуктивности, являющееся исходным для расчета числа витков обмотки катушки индуктивности
41. Коэффициент подстройки катушки индуктивности Коэффициент подстройки	Отношение изменения индуктивности катушки от номинального значения индуктивности до предельного за счет перемещения подстроечника, к номинальному значению индуктивности, выраженное в процентах
42. Коэффициент перекрытия катушки индуктивности Коэффициент перекрытия Е. Percent of adjustment of inductance coil F. Pourcent de d’inductance	Отношение максимального изменения индуктивности за счет перемещения подстроечника к номинальному значению индуктивности, выраженное в процентах
43. Подгонка индуктивности катушки Подгонка Е. Range of trimming of inductance	Относительное изменение индуктивности катушки, определяемое изменением проницаемости сердечника или числа витков обмотки
44. Индуктивность отвода катушки Индуктивность отвода Е. Value of inductance of tapping F. Valeur d’inductance de prise	Значение индуктивности между одним из концов обмотки и отводом
45. Общая индуктивность катушки Общая индуктивность Е. Total inductance of coil F. Inductance totale de bobine	Значение индуктивности между началом и концом обмотки
46. Добротность катушки индуктивности Добротность катушки Е. Quality factor of coil F. de bobine	Отношение индуктивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению
47. Номинальная добротность катушки индуктивности Номинальная добротность Е. Nominal value of Q-factor of coil F. nominal de bobine	Значение добротности при номинальном значении индуктивности, являющееся исходным для отсчета отклонений
48. Температурный коэффициент индуктивности катушки (ТКИ) Е. Temperature coefficient of inductance F. Coefficient de temperature d’inductance de bobine	Отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение
49. Температурный коэффициент катушки индуктивности (ТКК) Е. Temperature coefficient of inductance coil F. Coefficient de de bobine	Отношение относительного изменения эффективной индуктивности катушки к интервалу температур, вызвавшему это изменение
50. Температурная нестабильность индуктивности катушки Температурная нестабильность индуктивности Е. Temperature instability of inductance coil F. de d’inductance	Относительное изменение индуктивности, вызванное изменением температуры окружающей среды
51. Температурный коэффициент добротности катушки индуктивности (ТКД) Е. Temperature coefficient of Q-factor of coil F. Coefficient de de de bobine	Отношение относительного изменения добротности катушки индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение
52. Нестабильность индуктивности катушки Нестабильность индуктивности Ндп. Стабильность индуктивности Е. Instability of inductance of coil F. d’inductance de bobine	Относительное изменение индуктивности под воздействием различных факторов
53. Нестабильность добротности катушки индуктивности Нестабильность добротности Ндп. Стабильность добротности Е. Instability of quality-factor of coil F. de de bobine	Относительное изменение добротности под воздействием различных факторов
54. Временная нестабильность индуктивности катушки Временная нестабильность индуктивности Ндп. Временная стабильность Е. Relative variation of inductance with time F. Variation relative d’inductance due temps	Относительное изменение индуктивности в процентах за заданный интервал времени при нормальных условиях
55. Коэффициент нестабильности индуктивности катушки Коэффициент нестабильности индуктивности Е. Inductance instability factor of coil F. Coefficient d’inductance de bobine	Отношение изменения индуктивности к произведению квадрата индуктивности в начальный период времени и логарифма отношения времен, за которые произошло это изменение
56. Рабочая температура катушки индуктивности Рабочая температура Е. Operating temperature of coil F. d’emploi de bobine	Температура, при которой катушка индуктивности сохраняет номинальные параметры в заданных допусках
57. Максимальная температура катушки индуктивности Максимальная температура Е. Maximum temperature of inductance coil F. Pointe maximum de de bobine	Наибольшая температура, при которой катушка индуктивноcти не имеет механических повреждений, может транспортироваться и после воздействия которой сохраняет заданные параметры
58. Минимальная температура катушки индуктивности Минимальная температура Е. Minimum temperature of inductance coil F. Pointe minimum de	Наименьшая температура, при которой катушка индуктивности не имеет механических повреждений, может транспортироваться и после воздействия которой сохраняет заданные параметры
59. Взаимная индуктивность Е. Mutual inductance of coil F. Inductance mutuelle de bobine	По ГОСТ 19880-74
60. Магнитный материал	По ГОСТ 19693-74
61. Собственная емкость катушки индуктивности Е. Self-capacitance of coil	Электрическая емкость, составляющая с ее индуктивностью резонансный контур на частоте собственного резонанса и измеряемая на концах обмотки катушки
62. Коэффициент связи катушек индуктивности Коэффициент связи Е. Coefficient of coupling of coil F. Coefficient de couplage de bobine	Отношение изменения индуктивности двух последовательно включенных катушек по сравнению с суммой их индуктивностей, к удвоенному корню квадратному из произведения индуктивностей этих катушек
63. Максимальная частота катушки индуктивности Максимальная частота Е. Maximum frequency of coil F. maximum de bobine	Частота, при которой катушка еще может использоваться в качестве индуктивности
64. Оптимальная частота катушки индуктивности Оптимальная частота Е. Optimum working frequency of coil F. optimum de bobine	Частота, при которой добротность катушки имеет значение не менее 0,707 от максимальной добротности
65. Резонансная частота Ндп. Собственная частота катушки Е. Resonant frequency of coil F. resonante de bobine	По ГОСТ 19880-74
66. Затухание нелинейности катушки индуктивности Е. Attenuation of nonlinearity of coil F. Affaiblissement de de bobine	Логарифм отношения общего напряжения к напряжению -ой гармоники
67. Электрическое сопротивление постоянному току Е. Direct-current resistance of coil F. en courant continu de bobine	По ГОСТ 19880-74
68. Сопротивление переменному току катушки индуктивности Е. Alternating current impedance of coil F. en curant alternatif de bobine	Суммарное сопротивление катушки индуктивности, последовательно включенной в цепь переменного тока при данной частоте и значении тока
69. Допустимый ток обмотки катушки индуктивности Допустимый ток Е. Permissible current of inductance coil F. Courant admissible	Ток, протекающий по обмотке, при котором перегрев обмотки находится в допустимых пределах
70. Конструкция катушки индуктивности Ндп. Арматура Е. Inductance coil assembly F. Construction de bobine d’inductance	Совокупность конструктивных деталей, обеспечивающих механическое скрепление частей катушки индуктивности, а также установку и электрический монтаж ее в блоке аппаратуры
71. Базовая конструкция катушки индуктивности Базовая конструкция Е. Unified construction of coil F. Construction de bobine	Единая конструкция катушки с сердечниками одной конструкции и размера, содержащая детали, применяющиеся во всех вариантах исполнения
72. Вариант катушки индуктивности Е. Modification of inductance coil F. Modification de bobine	Катушка индуктивности, выполненная в базовой конструкции с использованием переменных составляющих и отличающаяся данными обмотки, материалом сердечника и электрическими параметрами
73. Влагозащищенная конструкция катушки индуктивности Ндп. Герметизированная конструкция катушки индуктивности Е. Rumiditi proofed construction of coil	Конструкция катушки индуктивности, предохраняющая ее от непосредственного воздействия влаги и обеспечивающая сохранение электрических параметров в допустимых пределах
74. Открытая конструкция катушки индуктивности Е. Open construction of inductance coil F. Construction ouverte de bobine	Конструкция катушки, не предохраняющая ее от непосредственного воздействия влаги и предназначенная для использования в герметично закрытых блоках аппаратуры или при нормальной влажности
75. Экранированная конструкция катушки индуктивности Экранированная катушка Е. Screened construction of coil F. Construction de bobine	—
76. Каркас катушки индуктивности Каркас Ндп. Корпус Е. Coil form F. Mandrin de bobine	Несущая деталь из диэлектрического материала, предназначенная для расположения на ней обмотки. Примечание. Деталь может иметь закрепленные выводы и втулки для распайки концов обмотки и крепления катушки в блоках аппаратуры
77. Основание катушки индуктивности Ндп. Дно Е. Base of coil F. Embase de bobine	Деталь в виде платы из диэлектрического материала или немагнитного металла, на которой устанавливается каркас с обмоткой или сердечник с обмоткой. Примечание. Деталь может иметь выводы для монтажа
78. Вывод катушки индуктивности Вывод Ндп. Клемма Е. Terminal pin F. Picot	Деталь катушки индуктивности, предназначенная для электрического соединения катушки с другими элементами колебательного контура
79. Втулка катушки индуктивности Втулка Ндп. Букса Е. Sleeve F. Manchon	Деталь конструкции из диэлектрического материала, имеющая форму полого гладкого или резьбового цилиндра, предназначенная для перемещения подстроечника. Примечание. Втулка может использоваться для крепления катушки в блоках аппаратуры
80. Катушка конструкции Е. Coil F. Bobine	Каркас с обмоткой, бескаркасная обмотка
81. Экран катушки индуктивности Экран Е. Screen F. Blindage	Деталь конструкции из немагнитного металла для установки основания, имеющая вывод для заземления и предназначенная для защиты от влияния электростатических полей
82. Колпачок катушки индуктивности Колпачок Ндп. Заглушка Е. Сап	Деталь экранированной катушки из немагнитного металла, высота которой больше половины ее внутреннего диаметра, предназначенная для обеспечения влагозащиты и предохранения подстроечника от механических повреждений
83. Крышка катушки индуктивности Крышка Е. Cover	Деталь экранированной катушки из немагнитного металла, высота которой меньше половины ее внутреннего диаметра, предназначенная для обеспечения влагозащиты и предохранения подстроечника от механических повреждений
84. Корпус катушки индуктивности Ндп. Кожух Е. Container F. Boitier	Полая деталь конструкции из диэлектрического материала, предназначенная для установки основания или катушки с основанием и защиты катушки от влаги
85. Плата с выводами Ндп. Планка монтажная Е. Mounting plate F. Plaquette	Деталь катушки индуктивности из электроизоляционного материала для монтажа схемы
86. Металлический держатель катушки индуктивности Металлический держатель	Металлическая деталь катушки индуктивности, обеспечивающая крепление катушки в блоке аппаратуры
87. Удельная индуктивность катушки	Отношение эффективной индуктивности катушки к объему ее конструкции
88. Коэффициент эффективности конструкции катушки	Произведение удельной индуктивности катушки индуктивности на ее удельную добротность
89. Коэффициент конструкции катушки	Отношение объема сердечника катушки индуктивности к объему конструкции катушки
90. Удельная добротность катушки	Отношение добротности катушки индуктивности на заданной частоте к объему ее конструкции

Индуктивные элементы Радиоэлементы и их электрические и эксплуатационные свойства Любительская Радиоэлектроника

 

Индуктивные элементы

 

Индуктивные элементы делятся на катушки индуктивности и трансформаторы.

По назначению катушки индуктивности можно разделить на четыре группы:

а) катушки контуров,

б) катушки связи,

в) дроссели высокой частоты и

г) дроссели низкой частоты.

По конструктивному признаку катушки могут быть разделены на однослойные и многослойные; цилиндрические, спиральные и тороидальные; экранированные и неэкранированные; катушки без сердечников и катушки с сердечниками и др.

Катушки индуктивности характеризуются следующими основными параметрами: индуктивностью и точностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

Однослойные катушки применяются на частотах выше 1500 кГц. Намотка может быть сплошная и с принудительным шагом. Однослойные катушки с принудительным шагом отличаются высокой добротностью (Q=150…400) и стабильностью;

применяются в основном в контурах коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волн [47]. Высокостабильные катушки, применяемые в контурах гетеродинов на KB и УКВ, наматываются при незначительном натяжении проводом, нагретым до 80…120 С.

Для катушек с индуктивностью выше 15…20 мкГн применяется сплошная однослойная намотка. Целесообразность перехода на сплошную намотку определяется диаметром катушки. Ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на сплошную намотку:

Диаметр каркаса (в мм) 6 10 15 20 25
Индуктивность (в мкГн) 1,8 4 10 20 30

Катушки со сплошной намоткой также отличаются высокой добротностью и широко используются в контурах на коротких, промежуточных и средних волнах, ее ли требуется индуктивность не выше 200…500 мкГн. Целесообразное гь перехода на многослойную намотку определяется диаметром катушки. Ориентировочные значения индуктивности, при которых целесообразен переход на многослойную намотку:

Диаметр каркаса (в мм) 10 15 20 25 30
Индуктивность (в мкГн) 30 50 100 200 500

Индуктивность однослойной катушки рассчитывается по формуле:

L=0,01DN²/(l/D+0.44), где L — индуктивность (в мкГн), D — диаметр катушки (в см), 1 — длина намотки (в см), N — число витков.

Добротность однослойных катушек определяется в основном диаметром провода и шагом намотки (расстоянием между витками) х. Установлено , что на высоких частотах оптимальное значение диаметра намоточного провода определяется из выражения: d=0,707x.

Многослойные катушки разделяются на простые и сложные. Примерами простых намоток являются рядовая многослойная намотка и намотка «кучей» (или в навал). Не  секционированные многослойные катушки с простыми намотками отличаются пониженной добротностью и стабильностью, большой собственной емкостью, требуют применения каркасов. Индуктивность многослойной катушки рассчитывается по формуле: L=0,08(DN)²/(3D+9l+10t), где L — индуктивность катушки, мкГн; D — средний диаметр намотки, см; l— длина намотки, см; t — толщина катушки, см; N — число витков.

Если задана индуктивность и нужно рассчитать число витков, то следует задать величины D, l и t и подсчитать необходимое число витков. После этого следует произвести проверку толщины катушки по формуле: t=zNd²/l, где d — диаметр провода с изоляцией (в мм), z=1,05…1,3 — коэффициент не плотности намотки при d=1…0,08 соответственно.

Секционированные катушки индуктивности характеризуются достаточно высокой добротностью, пониженной собственной емкостью, меньшим наружным диаметром и допускают в небольших пределах регулировку индуктивности путем смещения секций. Они применяются как в качестве контурных в контурах длинных и средних волн, так и в качестве дросселей высокой частоты. Каждая секция представляет собой обычную многослойную катушку с небольшим числом витков. Число секций может быть от двух до восьми, иногда даже больше. Расчет секционированных катушек сводится к расчету индуктивности одной секции. Индуктивность секционированной катушки, состоящей из п секций: L= Lc[n+2k(n-1)], где Lc — индуктивность секции, k — коэффициент связи между смежными секциями (k=0.3 при расстоянии между секциями, равном половине ширины секции, которая равна среднему радиусу катушки).

Собственная емкость катушки понижает добротность и стабильность настройки контуров. В диапазонных контурах эта емкость уменьшает коэффициент перекрытия диапазона. Величина собственной емкости определяется типом намотки и размерами катушки. Наименьшая собственная емкость (несколько пФ) у однослойных катушек, намотанных с принудительным шагом. Многослойные катушки обладают большей емкостью, величина которой зависит от способа намотки. Так, емкость катушек с универсальной намоткой составляет 5…25 пФ, а с рядовой многослойной намоткой может быть выше 50 пф.

Дросселем высокой частоты называют катушки индуктивности, используемые в цепях питания в качестве фильтрующих элементов. Индуктивность дросселя должна быть достаточно большой, а собственная емкость — малой. Конструктивно дроссели высокой частоты выполняются в виде однослойных или многослойных катушек. Для дросселей длинных и средних волн применяется секционированная многослойная намотка. Дроссели для коротких волн и для метровых волн обычно имеют однослойную намотку — сплошную или с принудительным шагом. В качестве каркаса часто используются керамические стержни от резисторов. Расчет числа витков дросселя производится так же, как и расчет числа витков катушек индуктивности.

В катушках с большой индуктивностью применяются сердечники из ферромагнитных материалов. Индуктивность катушки с замкнутым стальным сердечником L=0,0126mSN²/lc, [мкГн], где m — магнитная проницаемость материала (для электротехнических сталей находится в диапазоне 200… 500), S — сечение сердечника (в см²), N — число витков катушки, 1„ — средняя длина магнитного пути, см (например, для круглого сердечника — длина его средней окружности).

 

 

Завод по производству трансформаторов, катушек индуктивности, дросселей, изделий из пластмасс, расчет трансформаторов по чертежам заказчика.

04 Июля 2016 ООО «Транспласт» приступило к производству  автотрансформаторов однофазных, понижающих, в защитном кожухе.   ООО «Транспласт» изготавливает изделия из пластмасс: ДСВ АГ фенопласта резины а также из литьевых пластмасс на пресс-формах заказчика.Возможно проектирование и изготовление пресс-форм. +7 (812) 600-15-26

Главная Трансформаторы и индуктивные элементы На сердечниках типа Б (Ч) и СБ, На сердечниках типа КВ, На сердечниках типа Ш, На кольцевых сердечниках Комплектующие к трансформаторам Комплекты для трансформаторов, каркасы намоточные, каркас для дросселя, основания, крышки, втулки, подстроечные сердечники, крепежные скобы, ферриты Комплектующие для плат печатного монтажа и РЭА Гребенки, держатели, держатели светодиода, заглушки, клавиши, колпачки, коробочки, колодки, ножки, ручки, перемычки, упоры, чашки, хомуты Электро-изоляционные изделия для РЭА Втулки диэлектрические, кольца уплотнительные, прокладки, колпачки для ферритовых колец Другая продукция Аппарат слуховой Производственное предприятие ООО «Транспласт» — известный на территории Санкт-Петербурга и России завод по производству трансформаторов (напряжения, тока, импульсных разновидностей), комплектующих к ним (основания, крышки, втулки и пр.) и различной электроизоляционной продукции (уплотнительные кольца, прокладки, диэлектрические втулки, колпачки для ферритовых колец). Отдельное направление в деятельности завода – разработка и производство электронных слуховых аппаратов наушного типа. Современное техническое оснащение – залог успеха! Завод изготовитель трансформаторов «Транспласт» предоставляет своим клиентам качественные изделия, а высокий результат достигается за счет опыта специалистов, использования проверенного сырья и, конечно же, оснащения цехов зарубежным технологичным оборудованием: намоточными станками с ПУ от Siemens; прессовым оборудованием; термопласт автоматами, функционирующими по технологии «литье под высоким давлением»; устройствами для вакуумной сушки; оборудованием для подрезки керна сердечника; специальными пробойными установками; высокоточными измерительными приборами. Руководством предприятия техническому оснащению уделяется особо пристальное внимание, широкий ассортимент выпускаемых трансформаторов и других изделий, не уступающих по качеству иностранным аналогам, – яркое тому подтверждение. Работа только с проверенными материалами – наш принцип! Завод трансформаторов тока «Транспласт» в своей работе использует только то сырье, которое позволяет создавать продукцию, готовую к длительной, интенсивной эксплуатации в различных условиях. Итак, основные материалы – это: Термопласты (специальные пластмассы, выполненные из полистирола, поливинилхлорида или полиэтилена и способные к повторной переработке). Реактопласты (термореактивные пластмассы, в основе которых лежат смолы – карбамидные, эпоксидные, полиэфирные, фенолоформальдегидные). Трансформаторы, произведенные из таких материалов, отличаются важными характеристиками: ударопрочность, огнестойкость, экологическая безопасность, устойчивость к высоким температурам, безопасность для пользователя, возможность снижения электропотерь. Предприятие «Транспласт» готово предложить трансформаторы зарубежного качества по отечественной цене! Завод трансформаторов ООО “Транспласт” производит разработку и изготовление намоточных изделий широкой номенклатуры и по техническим требованиям, такой как: комплект трансформаторов 3-х фазной сети 380/220 Вольт, 50Гц, суммарной мощностью  7,8 кВА для выпрямителя электромагнита; дроссель фильтра сети 380/220 Вольт, 50Гц, 200А, 40мкГн; дроссель балластный, сеть 220 Вольт, 50Гц, 25А, 28мГн, 2,5кВА; трансформатор электропитания, сеть 220 Вольт, 50Гц, 4,2кВА; трансформатор электропитания, сеть 220 Вольт, 50Гц, 700ВА и 500ВА; трансформатор электропитания, сеть 220 Вольт, 50Гц, 250ВА, 200ВА, 15ВА; трансформатор понижающий 50Гц, 380/36В, 150ВА; трансформаторы тока Т-0,66 — 100/0,5 и 100/5, встроенные; трансформаторы импульсные с рабочей частотой 20-100кГц, 100ВА; дроссель с рабочей частотой 30кГц, 2А, 5мГн; трансформаторы на кольцевом сердечнике с рабочей частотой 80кГц: 1) L1=83мГн, L2=3,6мГн; 2) L1=200мГн, L2=2х2мГн; катушка индуктивности на тороидальном сердечнике 12мГн; катушка индуктивности на в броневом сердечнике 8мГн и 12мГн; катушка индуктивности подстраиваемая 10мГн+-20% трансформатор оконечный ТОТ-93; трансформаторы импульсные ТИМ различных номиналов; трансформаторы развязывающие абонентские ТРС; и другие изделия

Формулы и калькулятор тороидального индуктора

Тороидальные индукторы часто используются в приложениях для импульсной подачи энергии и регулирования мощности, поскольку магнитные поля в значительной степени ограничены объемом формы. Все формулы на этой странице показаны для тороидального индуктора с воздушным сердечником. Если использовать магнитный сердечник в качестве формы для намотки тороида, индуктивность тороида можно найти, вычислив значение по соответствующей формуле, показанной ниже для индуктора с воздушным сердечником, а затем умножив это значение на относительную проницаемость магнитного сердечника. основной материал.

Тороиды могут быть намотаны круглой формы, как показано на рисунке ниже:

Схема тороидального индуктора круглого сечения

Индуктивность такого тороида можно рассчитать по следующей формуле:

Уравнение для тороидального индуктора круглого сечения

, где N — количество витков, R — средний радиус формы, показанной на рисунке (в см), а a — радиус обмоток формы, как показано на рисунке (в см).

Другая формула индуктивности тороида круглого сечения показана ниже:

Альтернативная формула для тороидального индуктора круглого сечения

, где N — количество витков, D — средний диаметр формы, показанной на рисунке (в дюймах), а d — диаметр обмоток, как показано на рисунке (в дюймах).

Они также могут иметь прямоугольную форму, как показано на рисунке ниже:

Схема тороидального индуктора квадратного сечения

Индуктивность тороида прямоугольного сечения может быть найдена из следующего уравнения (Terman, Frederick E., Radio Engineers Handbook , McGraw-Hill, New York, 1943, p58.):

Уравнение тороидального индуктора с квадратным поперечным сечением

, где N — количество витков, h — высота обмотки (в дюймах), d ₁ — внутренний диаметр (в дюймах), а d ₂ — внешний диаметр (в дюймах).

Вторая формула для тороида прямоугольной формы показана ниже:

Альтернативное уравнение для тороидального индуктора с квадратным поперечным сечением

, где N — количество витков, h — высота обмотки (в см), r ₁ — внутренний радиус (в см), а r ₂ — это внешний радиус (в см).

Калькуляторы, представленные ниже, могут использоваться для определения правильных параметров тороидальной индуктивности круглого или квадратного сечения. Кредит за исходный код Javascript, используемый в калькуляторе, дан Рэю Аллену, у которого есть несколько подобных полезных калькуляторов на своем веб-сайте Pulsed Power Portal.

---

Консультации, комментарии и предложения направляйте по адресу [email protected]

Калькулятор обмотки тороида • 66pacific.com

Используйте этот онлайн-инструмент для расчета количества витков обмотки, необходимого для достижения желаемая индуктивность с тороидальными сердечниками из феррита и порошка железа.

Чтобы использовать калькулятор:
Сначала выберите тип материала сердечника.
Выберите Iron Powder для сердечников с префиксом T (например, T-50-2).
Выберите Феррит для сердечников с префиксом FT (например, FT-43-63).

Тип материала:
Железный порошок Феррит

Индуктивность
Введите индуктивность.

Размер сердечника Номер материала Рассчитать Для получения дополнительной информации об использовании этого калькулятора см. Использование калькулятора намотки тороида. Краткое описание терминов сердечника тороида, используемых на этой странице (например, A L и u), см. В Терминологии катушки тороида. Две отличные ссылки на тороидальные катушки индуктивности и трансформаторы : Справочник ARRL по радиосвязи, 2017 г. Трансформаторы линии передачи, 4-е издание, Джерри Севик Домой | Карта сайта | Контакты Авторские права © 1999-2021 66pacific.com. Все права защищены.

Coil32 — Калькулятор ферритового тороида

Детали

Опубликовано: 08 января 2015

Просмотров: 70731

Вы должны включить JavaScript в вашем браузере, чтобы калькулятор работал на этой странице!

Здесь вы можете увидеть формулы, которые калькулятор использует для расчета индуктивности.Онлайн-калькулятор использует диаметр проволоки для определения ее длины и возможности установки во внутренний диаметр тороида. В этом калькуляторе следует использовать внешний диаметр провода (с изоляцией). Вы можете загрузить кроссплатформенное приложение Coil64 для расчета индуктивности катушки ферритового тороида в автономном режиме. Вот калькулятор тороидальных сердечников Amidon с железным порошком и калькулятор ферритовых сердечников Amidon .

Для правильного расчета на радиочастотах необходимо использовать действительную часть комплексной магнитной проницаемости мкм феррита в качестве относительной проницаемости мкм _r .Это значение зависит от ферритового материала и частоты. На низких частотах, при условии, что катушка работает в слабых полях, можно использовать начальное значение проницаемости мкм _i . Эти параметры можно найти в паспортах производителя.

Калькулятор ферритовых тороидов:

ВВЕДИТЕ ВВОДНЫЕ ДАННЫЕ:

---

Выберите единицы:

мм / см / дюйм

AWG → 000000000012345678

1213141516171819202122232425262728293031323334353637383940

SWG → 07.06.05.04.03.02/0012345678

121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950

---

---

* Необходимо для длины намотки провода без выводов.

---

Ссылки по теме:

1. Калькулятор намотки тороида — 66PACIFIC.COM
2. Ферритовый E-core онлайн-калькулятор

что такое индуктор, обозначение индуктора, формула индуктора, относительная магнитная проницаемость

Индуктор с железным сердечником

В областях, где требуются малоразмерные индукторы, эти индукторы с железным сердечником являются лучшим вариантом.Эти катушки индуктивности имеют высокую мощность и высокую индуктивность, но ограничены по высокочастотной способности. Они применимы к аудиооборудованию. По сравнению с другими основными индикаторами их применение очень ограничено.

Индуктор с воздушным сердечником

Взяв цилиндрический материал определенного диаметра (например, сверло) в качестве шаблона, мы можем намотать кусок проволоки, чтобы сделать индуктор с воздушным сердечником, а также индуктивность можно стабилизировать с помощью окунание индуктора в лак или закрепление воском.

Материал сердечника — воздух, поэтому он имеет низкую проницаемость, следовательно, меньшую индуктивность, поэтому его можно использовать для высокочастотных приложений.

Индуктор с ферритовым сердечником

Смешивание оксида железа (Fe2O3) в сочетании с другими оксидами металлов, такими как (Mn), цинк (Zn) или магний (Mg), при температуре от 1000 ° C до 1300 ° C приведет к в материале с очень интересными магнитными свойствами, называемом ферритом.

Катушки индуктивности с ферритовым сердечником обладают высокой магнитной проницаемостью, высоким электрическим сопротивлением и низкими потерями на вихревые токи. Эти характеристики делают их пригодными для многих высокочастотных приложений.

Индуктор шпульки

Намотка отрезка проволоки в специально изготовленную цилиндрическую бобину и закрепление ее термоусадочной трубкой образует индуктор шпульки.

Материал сердечника — феррит, поэтому его свойства аналогичны свойствам индуктора с ферритовым сердечником. Небольшой размер делает их пригодными для использования в таких приложениях, как адаптеры питания.

Переменный индуктор

Он образуется путем перемещения магнитопровода внутри и снаружи обмоток индуктора.С помощью этого магнитного сердечника мы можем регулировать значение индуктивности. Когда мы рассматриваем индуктор с ферритовым сердечником, перемещая его сердечник внутри и снаружи, на котором намотана катушка, можно сформировать индуктор с переменным ферритовым сердечником.

Катушки индуктивности этого типа используются в радио- и высокочастотных приложениях, где требуется настройка. Эти индукторы обычно находятся в диапазоне от 10 мкГн до 100 мкГн, а в настоящее время — от 10 нГн до 100 мГн.

Экранированный индуктор для поверхностного монтажа

Он состоит из намотки отрезка провода в цилиндрическую катушку и закрепления его в специально изготовленном ферритовом корпусе, образующем экранированный индуктор для поверхностного монтажа.

Эти катушки индуктивности специально разработаны для приложений, монтируемых на печатных платах, и экранирование предназначено для уменьшения электромагнитных помех и шума от индуктора, а также для возможности использования в конструкции с высокой плотностью размещения.

Тороидальный индуктор

Проволока, намотанная на сердечник с кольцевой или кольцевой поверхностью. Как правило, они состоят из различных материалов, таких как феррит, порошковое железо, намотанная лента и т. Д. Этот индуктор имеет высокую степень связи между намоткой и ранним насыщением.

Его расположение дает минимальные потери магнитного потока, что помогает избежать связи магнитного потока с другими устройствами.Он обладает высокой эффективностью передачи энергии и высокими значениями индуктивности в низкочастотных приложениях. Эти индукторы в основном используются в медицинских устройствах, импульсных регуляторах, кондиционерах, холодильниках, телекоммуникациях, музыкальных инструментах и ​​т.д. Он построен из тонких пластин из феррита. Рисунок катушки напечатан на нем специальной металлической пастой (рецепт является конфиденциальным для производителя), правильное размещение этих листов слой за другим формирует катушку, следовательно, индуктивность.

Конструкция индуктора с тороидальным сердечником

Расчет для определения количества оборотов, необходимых для ряда порошков железа сердечник тороидов для достижения определенного значения индуктивности. L = Индуктивность в мкГн знак равно Индуктивный индекс в мкГн на 100 витков, как указано в производитель. N = Количество ходов. Пример Количество витков требуется для индуктора 12 мкГн, если для выбранный порошковый железный сердечник — 49 (Т-50-2). A L Стоимость Микс Тип Размер 26 3 15 1 2 7 6 10 12 17 0 Т-12 н / д 60 50 48 20 18 17 12 7.5 7,5 3 Т-16 145 61 55 44 22 н / д 19 13 8 8 3 Т-20 180 76 55 52 27 24 22 16 10 10 3.5 Т-25 235 100 85 70 34 29 27 19 12 12 4,5 Т-30 325 140 93 85 43 37 36 25 16 16 6 Т-37 275 120 90 80 40 32 30 25 15 15 4.9 Т-44 360 180 160 105 52 46 42 33 18,5 18,5 6,5 Т-50 320 175 135 100 49 43 40 31 18 18 6.4 Т-68 420 195 180 115 57 52 47 32 21 21 7,5 Т-80 450 180 170 115 55 50 45 32 22 22 8.5 Т-94 590 248 200 160 84 н / д 70 58 32 н / д 10,6 Т-106 900 450 345 325 135 133 116 н / д н / д н / д 19 Т-130 785 3350 250 200 110 103 96 н / д н / д н / д 15 Т-157 870 420 360 320 140 н / д 115 н / д н / д н / д н / д Т-184 1640 720 н / д 500 240 н / д 195 н / д н / д н / д н / д Т-200 895 425 н / д 250 120 105 100 н / д н / д н / д н / д Таблица значений AL для выбор порошкового железа сердечник тороидов. Утюг Размеры порошкового магнитного сердечника Размер Цвет Размеры Внешний диаметр I.D. ВЫСОТА дюйм мм дюйм мм дюйм мм Т-200-2 Красный 2 50.80 1,25 31,75 0,55 13,97 Т-94-2 Красный 0,94 23,88 0,56 14,224 0,31 7,874 Т-80-2 Красный 0.8 20,32 0,5 12,7 0,25 6,35 Т-68-2 Красный 0,68 17,27 0,37 9,398 0,19 4,826 Т-50-2 Красный 0.5 12,70 0,3 7,62 0,19 4,826 Т-37-2 Красный 0,37 9,40 0,21 5,334 0,12 3,048 Т-25-2 Красный 0.25 6,35 0,12 3,048 0,09 2,286 Т-12-2 Красный 0,125 3,18 0,06 1,524 0,05 1,27 Т-50-10 Черный 0.5 12,70 0,3 7,62 0,19 4,826 Т-37-10 Черный 0,37 9,40 0,21 5,334 0,12 3,048 Т-25-10 Черный 0.25 6,35 0,12 3,048 0,09 2,286 Т-12-10 Черный 0,125 3,18 0,06 1,524 0,05 1,27 Т-94-9 Желтый 0.94 23,88 0,56 14,224 0,31 7,874 Таблица размеров жил для выбора порошкового железа сердечник тороидов. Железный порошок Свойства магнитного сердечника Микс Цвет Материал мкм Температура f (МГц) Использует Устойчивость (ppm / C) 26 Желтый / Белый Водород Уменьшено 75 825 DC -10 МГц EMI фильтры, дроссели постоянного тока 3 серый Карбонил HP 35 370 0.05 — 0,500 МГц Отл. стабильность, хорошая добротность на низких частотах. 15 Красный / Белый Карбонил GS6 25 190 0,10 — 20 МГц Отл. стабильность, хорошая Q 1 Синий Карбонил C 20 280 0.50 — 50 МГц Отл. стабильность, хорошая добротность на низких частотах. 2 Красный Карбонил E 10 95 2 — 30 МГц Высокая Q 7 Белый Карбонил TH 9 30 3 — 35 МГц Похожий смешать 2 и смешать 6, отл.стабильность температуры 6 Желтый Карбонил SF 8 35 10 — 50 МГц Очень хороший Q и темп. стабильность на 20-50 МГц 10 Черный Порошок Утюг W 6 150 30 — 1000 МГц Хорошо Q и стабильность на 40-100 МГц 12 Зеленый / Белый синтетический Оксид 4 170 50 — 2000 МГц Хорошо Q, умеренный темп.стабильность 17 Синий / Желтый Карбонил 4 50 40 — 1800 МГц Похожий смешать 12, лучше темп. стабильность, Q падает примерно на 10% выше 50 МГц, на 20% выше 100 МГц 0 Тан Фенольный 1 0 100 — 3000 МГц л сильно варьируется в зависимости от техники намотки Таблица основных свойств для порошкового железа основной. Конструкция индуктора с сердечником из железного порошка Программное обеспечение: http://www.micrometals.com/material/IPIDsgnSoftwaretxt.html

Метод расчета, основанный на нормированных функциях тороидального индуктора, применяемый для оценки качества электроэнергии

Энергетика и энергетика
Vol.5 No 3 (2013), Идентификатор статьи: 31123,6 страницы DOI: 10.4236 / epe.2013.53020

Метод расчета на основе нормированных функций для тороидального индуктора, применяемый для оценки качества электроэнергии ^*

Роберто Бака

Департамент электроники, Национальный политехнический институт, Мехико, Мексика

Электронная почта: [email protected]

Авторские права © 2013 Роберто Бака.Это статья в открытом доступе, распространяемая под лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Поступила 20.02.2013 г .; доработана 22 марта 2013 г .; принято 5 апреля 2013 г.

Ключевые слова: Передаточная функция; Эквивалентная схема; Нормализованные параметры; Датчик сигнала тока; Гармонический анализ

РЕФЕРАТ

В качестве альтернативы оценке качества электроэнергии предлагается метод проектирования недорогого тороидального индуктора.Метод основан на хорошо известных инструментах инженеров, в которых представлены взаимосвязи, существующие между схемой замещения и передаточной функцией тороидального индуктора. Предложенный метод проектирования поясняется нормализованными функциями, основанными на физических параметрах тороидального индуктора. В этой работе представлены основные аргументы предлагаемой методологии, а в качестве демонстрации метода проектирования как функции нормированных параметров разработан датчик сигнала тока, который был проверен в лаборатории по стандарту EN-50160-2-2 для оценки качество электроэнергии в бытовых нагрузках.

1. Введение

В электротехнике тороидальный индуктор используется для измерения или контроля электрических токов в силовой цепи переменного тока в зависимости от гармонических искажений [1,2]. Требуется гальванически изолированное измерение тока, так что должны быть достигнуты преимущества меньших потерь и непосредственной обработки измерительных сигналов [3]. Тороидальная катушка индуктивности создает пониженный ток, точно пропорциональный измеренному току. Тороидальный индуктор может также широко использоваться для управления с обратной связью и других приложений [4].

Метод проектирования тороидальных катушек индуктивности был разработан с помощью неитеративного метода, который вводит уравнение для оценки требуемого размера сердечника в зависимости от требуемой индуктивности и максимальных значений, указанных для индукции и тока [5]. Другое методическое решение состоит в моделировании катушек индуктивности вместе с эквивалентными схемами, вычислении индуктивности рассеяния, характеристиках материала сердечника и геометрической конфигурации для минимизации объемных индукторов с целью упрощения процедуры проектирования [3].Тем не менее, тенденция к текущему мониторингу обусловлена ​​снижением затрат, увеличением функциональности и ограниченным весом / пространством в некоторых приложениях [3,4].

Это, в конечном итоге, приводит к постоянному увеличению частот, что сопровождается увеличением полосы пропускания и плохой стабильностью.

На основании электрических и магнитных свойств, таких как намагниченность насыщения и потери в тороидальном сердечнике, здесь предлагается возможность применения кремниево-железных сердечников с ориентированной зернистой структурой для контроля тока, поскольку они могут уменьшить фазовую ошибку и повысить ее точность в измерения переменного тока на низких частотах (50 — 60 Гц) [6,7].Предлагается простой метод конструирования тороидального индуктора с минимальными потерями для расчета нескольких индукторов с учетом широкого допуска характеристик материала сердечника.

В общем, процедура проектирования индуктора, описанная в литературе, использует множество монограмм, а конечный результат достигается с помощью нескольких итераций. В частности, тороидальные индукторы были разработаны несколькими инженерами с утомительными методами [8-10]. По этой причине из-за отсутствия более глубокого понимания фундаментальных законов электромагнитного поля многие инженеры считают проектирование индуктивных компонентов сложной задачей.

Цель здесь — объяснить метод проектирования, основанный на хорошо известных инструментах инженеров [11]; представляя простым и легким способом взаимосвязи, существующие между эквивалентной схемой и передаточной функцией тороидального индуктора. Предлагаемая работа разработана для достижения следующих целей:

1) Объяснить взаимосвязь между схемой замещения и магнитными параметрами тороидального индуктора;

2) Разработать метод на основе нормированных параметров;

3) Продемонстрировать валидацию метода с датчиком токового сигнала и оценить стандарт EN-50160-2-2 как функцию единичного гармонического искажения (SHD) в бытовых нагрузках [1].

2. Характеристики тороидального индуктора

Как и любой другой трансформатор, тороидальный индуктор имеет первичную обмотку, магнитный сердечник и вторичную обмотку. Когда в цепи вторичной обмотки индуцируется напряжение, линейный провод (первичная обмотка) магнитно окружается тороидальным сердечником, как показано на принципиальной схеме на Рисунке 1. Тороидальная геометрия имеет следующие преимущества эксплуатации:

1) Улучшено реакция при обнаружении перегрузки по току, поскольку имеет высокую индуктивность и дифференциальную проницаемость [6].

2) Магнитное поле, создаваемое линейным проводом, пропорционально скорости интегрального изменения напряжения, как следствие, его сопротивление вторичной обмотки должно быть r> 1 Ом [12,13].

3) Чувствительность можно повысить, если токи через первичную обмотку (линейный провод) меньше в зависимости от размера тороидальной геометрии [6,14].

Для любого тороидального индуктора потери в сердечнике и токи намагничивания должны быть минимальными [9]. Следовательно, тороидальная геометрия должна быть смоделирована уравнениями, которые описывают ее точное поведение [12] и их точную индуктивность с квадратным поперечным сечением, равную

.(1)

, где μ _d — дифференциальная проницаемость сердечника, μ _o — проницаемость свободного пространства, N — количество витков, r ₁ — внутренний радиус, r ₂ — внешний радиус, а толщина тороидального сердечника соответственно.

Лучшее понимание тороидального индуктора может быть достигнуто, когда входной ток I _в разделен на несколько токов [9,13]. На рисунке 2 показана их упрощенная эквивалентная схема, где X _m — реактивное сопротивление намагничивания, r _s — сопротивление обмотки и R _o — выходная нагрузка, соответственно.

Только линейный провод, окруженный тороидом, возбуждает магнитное поле вокруг сердечника, а затем индуцирует напряжение на выходной нагрузке R _o , пропорциональное выходному току, I _o . В то время как ток намагничивания I _m является частью входного тока, I _в зависит от гистерезиса и токовых потерь сердечника.

Следующий анализ позволяет получить нормализованные функции для моделирования тороидального индуктора как функцию нормализованного параметра α и физических параметров.

Рисунок 1. Принципиальная схема тороидальной геометрии с квадратным поперечным сечением.

Рисунок 2. Упрощенная эквивалентная схема для тороидального индуктора.

2.1. Передаточная функция

Соотношение между наведенным напряжением, V _с и входным током, I _в в передаточной функции, показано на рисунке 2 и должно быть дано в [11].

α определяет величину индуцированного напряжения, В _с от тороида на каждый входной ток, I _в , протекающего по линейному проводу, и устанавливает условие, при котором их поведение равно идеальной индуктивности (без потерь).

Передаточное сопротивление Z _t может быть связано с α и получено с помощью параллельной цепи между (r _{s +} R _o ) и X _m . Это может быть решено как с X _м = sL _м . При s = jω путем подстановки намагничивающего реактивного сопротивления X _m передаточное сопротивление Z _t можно установить с помощью

. (2)

Из уравнения (2) частота отсечки ω _c для тороида путем приравнивания к нулю и после приравнивания действительной и мнимой частей соответствует

.(3)

, где L _m — индуктивность намагничивания и эквивалентное сопротивление для тороидального индуктора [9].

2.2. Импеданс намагничивания

Известно, что намагничивание — это нелинейное явление, и разные значения реактивного сопротивления намагничивания, X _м , должны соответствовать каждому уровню наведенного напряжения через линейный провод с входным током I _в . Тем не менее, тороидный индуктор можно смоделировать с помощью его намагничивающего импеданса Z _m , потому что ток намагничивания I _m распространяется от линейного провода в виде магнитного поля для возбуждения сердечника [8,12].

Идеальная модель трансформатора может быть соотнесена по импедансу намагничивания Z _м без учета потерь в меди и сердечнике [12]. Из входного импеданса

для идеальных трансформаторов [10] полное сопротивление тороида при N _p = 1 (первичная обмотка) как функция напряжений и токов их обмоток может быть определено как

. (4)

Умножая обе части уравнения (4) на, получаем следующее соотношение

.(5)

Известно, что накопленная магнитная энергия в сердечнике пропорциональна наведенному напряжению V _s и отражается от выходной нагрузки R _o [9,12]. Подстановка на N и α, вторичный импеданс, пропорционален Z _m как

. (6)

где N — количество витков.

3. Метод расчета

В этом разделе представлен метод расчета, основанный на нормированном параметре α. Уравнения (1) — (3) и (6) управляются в соответствии со следующими аргументами:

1) Подставляя ω _c в уравнение (3) и при ω _c = ω в уравнении (2), Нормированный параметр α для тороидального индуктора соответствует

2) Подставляя (r _s + R _o ) как 1.414 α в уравнении (3), индуктивность намагничивания L _м (α) рассчитывается по

3) Полное сопротивление намагничивания Z _м для тороида ожидается из уравнения (6) как

Моделирование предложенного метода

Цель этого подраздела — теоретически доказать эффективность предложенного метода с использованием нормированных функций из последних аргументов и уравнения (1), соответственно. Эти уравнения затем решаются программой MATHEMATICA 5 в диапазоне 0.2 1 Ом (минимальные потери). Результаты показаны в Таблице 1.

Полезные параметры при минимальных потерях в Таблице 1 могут использоваться в качестве справочных для любой практической конструкции тороидального индуктора посредством следующих шагов:

a) Следует выбрать материал сердечника с дифференциальной проницаемостью в соответствии с к приложению и рассчитайте количество витков N по уравнению (1).

b) Рассчитывается импеданс намагничивания Z _м (α) как функция нормированного параметра, который зависит от требуемых характеристик.

c) Рассчитывается необходимое количество витков, N _req для требуемого тока, I _req по следующему простому уравнению

. (7)

d) Выходной ток I _o определяется согласно уравнению (2) при ω _c = ω. Следовательно, выходной ток I _o можно оценить как

. (8)

4. Оценка качества электроэнергии

Датчик сигнала тока со следующими характеристиками: I _req = 5 A, а V _s = 1 V, что соответствует α = 0.2, был разработан для мониторинга формы сигнала линейного тока в типичных бытовых нагрузках.

Для конструкции тороида требуется кремниево-железный сердечник с ориентированными зернами и дифференциальной проницаемостью (μ _d ~ 120) [6].

Таблица 1. Нормированные параметры для тороидальных индукторов при минимальных потерях.

при a = 10 мм и r ₂ = 2 r ₁ условиях. Число витков N было получено из уравнения (1). Из нормированных параметров таблицы 1 были выбраны параметры, удовлетворяющие условию α = 0.2 параметр. Используя уравнения (7) и (8), легко найти требуемое количество витков N _req и выходной ток I _o .

В таблице 2 перечислены параметры датчика токового сигнала. Обмотка на тороиде квадратного сечения с a = 10 мм, r ₂ = 4 см и r ₁ = 1,8 см была изготовлена ​​техником. На рисунке 3 представлена ​​фотография изготовленного тороида. Площадь провода для тока I _o соответствует AWG № 31 [10,14].

Известно, что гармоники вызваны несинусоидальными нагрузками и влияют на форму волны тока в линейных проводах, и этот параметр должен соответствовать ограничениям, установленным стандартом EN-50160-2-2 в зависимости от единичного гармонического искажения (SHD) с меньшее значение 8% [1].

В соответствии со стандартом EN-50160-2-2, как напряжение переменного тока, так и ток на линейных проводах измеряются при различных нагрузках, чтобы продемонстрировать поведение ранее спроектированного тороидального индуктора. Напряжение в сети составляет 125 В (60 Гц), и R _o = 100 Ом подключаются параллельно тороиду, замыкая электрическую цепь, показанную на Рисунке 2.

На рис. 4 (а) показаны кривые линейного тока и напряжения для лампы накаливания с I _в = 0,85 А. На рис. 5 (а) показаны кривые линейного тока и напряжения на электродвигателе переменного тока мощностью ½ л.с. с I _{. в} = 3,40 A. На рисунке 6 (a) показаны формы сигналов линейного тока и напряжения на нагрузке в режиме переключения с I _в = 1,10 A.

На основе анализа функции быстрого преобразования Фурье (БПФ) [2,15] и с помощью цифрового запоминающего осциллографа (Tektronix, TDS1012C) спектр БПФ гармоник сетевого тока при тех же нагрузках был измерен на рисунках 4 (b), 5 (b) и 6 (b).

По спектру БПФ, соответствующему входному току, было вычислено процентное соотношение гармонических токов к току основной гармоники. В стандарте EN-50160-2-2 предлагается гармонический анализ, выполняемый по следующему уравнению

. (9)

, где I ₁ — ток основной гармоники, I _h — токи гармоник с номером гармоники h.

Используя спектр БПФ, был рассчитан процент SHD с помощью уравнения (9). В таблице 3 перечислены соответствующие значения.

Рисунок 3. Фотография тороида как датчика токового сигнала.

(a) (b)

Рис. 4. (a) Мониторинг форм сигналов тока и напряжения и (b) спектр БПФ токового сигнала в лампе накаливания.

(a) (b)

Рис. 5. (a) Мониторинг форм сигналов тока и напряжения и (b) спектр БПФ токового сигнала в электродвигателе переменного тока.

(a) (b)

Рис. 6. (a) Мониторинг форм сигналов тока и напряжения и (b) спектр БПФ токового сигнала в коммутационной нагрузке.

Таблица 3. Отдельные значения HD из спектра БПФ.

И лампа накаливания, и электродвигатель переменного тока мощностью 1/2 л.с. демонстрируют более низкий процент нечетных гармоник и более высокий процент четных гармоник по сравнению со стандартом EN-50160-2-2. Нагрузка в режиме переключения показывает чрезвычайно высокий процент как нечетных, так и четных гармоник, потому что наблюдались серьезные нарушения непрерывности формы волны тока [16,17].

5. Выводы

В данной работе предложен метод проектирования недорогого тороидального индуктора, основанный на нормированных параметрах.На основе предложенного метода разработан датчик токового сигнала для контроля формы колебаний переменного тока.

Обнаружены две нормированные функции. Один — это индуктивность намагничивания, L _м (α), другой — импеданс намагничивания, Z _м (α). Эти параметры позволяют получить в целом оптимальную конструкцию любого тороидального индуктора в зависимости от параметра α.

Тороид изготовлен из переработанной кремнисто-железной фольги с ориентированной зернистостью. По результатам было обнаружено, что нагрузки для домашнего использования не удовлетворяют стандарту EN-50160-2-2, который следует скорректировать в будущем.Также, с некоторыми предложениями, предлагаемый метод может быть расширен до специальной конструкции тороидальных индукторов для других приложений.

6. Благодарности

Автор хотел бы поблагодарить г-на Антонио Луиса Тино за его помощь в изготовлении датчика сигнала тока.

СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

1. Стандарт EN-50160-2-2, «Характеристики напряжения электроэнергии, подаваемой в общественные распределительные системы», 2004 г.
2. J. Z. Young, C. S. Yu and C.В. Лю, «Новый метод гармонического анализа сигналов мощности», IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 20, No. 2, 2005, pp. 1245-1239.
3. M. L. Heldwein, L. Dalessandro и J. W. Kolar, «Трехфазный синфазный индуктор: проблемы моделирования и проектирования», IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 8, 2011, pp. 3264-3274. doi: 10.1109 / TIE.2010.2089949
4. М. Хартманн, Дж. Била, Х. Эртл и Дж. У. Колар, «Широкополосный преобразователь тока для измерения сигналов переменного тока с ограниченным смещением постоянного тока», IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.24, No. 7, 2009, pp. 1776-1787. doi: 10.1109 / TPEL.2009.2017263
5. Х. Э. Такка, «Ферритовый тороидальный индуктор», IEEE Latin America Transactions, Vol. 7, No. 6, 2009, pp. 630-635. doi: 10.1109 / TLA.2009.5419359
6. WA Geyger, «Нелинейно-магнитные устройства управления, основные принципы, характеристики и приложения», McGrawHill Book Company, Нью-Дели, 1964
7. Б. Кован, Ф. Леон, Д. Чарковски, З. Забар и Л. Биренбаум, «Снижение пусковых токов в сетевых трансформаторах за счет уменьшения остаточного потока с помощью сверхнизкочастотного источника питания», IEEE Transactions on Power Доставка, Vol.26, No. 3, 2011, pp. 1-8.
8. Р. Петков, «Оптимальная конструкция мощного высокочастотного трансформатора», IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 11, No. 1, 1996, pp. 33-42. doi: 10.1109 / 63.484414
9. С. Э. Зочолл и Д. В. Смаха, «Концепции трансформатора тока», Материалы 46-й конференции AGTPR, Атланта, 29 апреля — 1 мая 1992 г., стр. 1-8.
10. G. Chryssis, «Высокочастотные импульсные источники питания: теория и конструкция», McGraw-Hill, New York, 1989.
11. A.С. Седра и К. К. Смит, «Микроэлектронные схемы», Oxford University Press, Нью-Йорк, 1998.
12. Дж. Эдминистер, «Теория и проблемы электромагнетизма, серия набросков Шаума», Соединенные Штаты Америки, МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 1995.
13. Р. Р. Уилсон, Дж. Н. Росс и А. Д. Браун, «Моделирование частотно-зависимых потерь в ферритовых сердечниках», IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 40, No. 3, 2004, pp. 1537-1541. doi: 10.1109 / TMAG.2004.826910
14. П. Л. Доуэлл, «Эффекты вихревых токов в обмотках трансформатора», Proceedings of IEE, Vol.113, № 8, 1966, стр. 1–16.
15. Ф. Дж. Харрис, «Об использовании окон для гармонического анализа с дискретным преобразованием Фурье», Proceedings of IEEE, Vol. 66, No. 1, 1978, pp. 51-83. doi: 10.1109 / PROC.1978.10837
16. L. Wuidart, «Understanding Power Factor», 1995. http: // google / Application Notes AN824 / 0795.PDF /
17. JB Lee, «Высокое входное напряжение, обратное переключение в автономном режиме. Источник питания с использованием FSC IGBT (SGL5N150UF) », 2000. http: // google / Application Notes AN9011.PDF /

NOTES

^* Исследовательская статья.

Microsoft Word — Расчет индуктивности редко намотанных тороидальных катушек Comsol paper 27Jul16.docx

% PDF-1.4 % 64 0 объект >>>] / ON [93 0 R] / Order [] / RBGroups [] >> / OCGs [93 0 R] >> / PageLabels 58 0 R / Pages 60 0 R / Type / Catalog >> эндобдж 92 0 объект > / Шрифт >>> / Поля 97 0 R >> эндобдж 61 0 объект > поток 2016-08-08T14: 03: 41-04: 00PScript5.dll Версия 5.2.22016-10-11T16: 51: 48-04: 002016-10-11T16: 51: 48-04: 00Acrobat Distiller 10.1.16 (Windows) application / pdf

Microsoft Word — Расчет индуктивности редко намотанных тороидальных катушек Comsol paper 27Jul16.docx

апокрыва

uuid: 53889566-d96c-4fac-b1e6-44606886a514uuid: e0d54b13-cbd8-4b34-be53-c7b4845dfe3c конечный поток эндобдж 58 0 объект > эндобдж 60 0 объект > эндобдж 65 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 1 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 9 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 16 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 22 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 31 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageI] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 38 0 объект > / Font> / ProcSet [/ PDF / Text] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 116 0 объект > поток HW [~ _я`ku $! G! Pȁ5CA # JWz} I}.