Индукция катушки: Индуктивная катушка и ее практическое применение электронщиками | Электронные компоненты. Дистрибьютор и магазин онлайн

Содержание

3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки | 14. Катушки индуктивности | Часть1

3. Факторы, влияющие на индуктивность катушки

Факторы, влияющие на индуктивность катушки

На индуктивность катушки оказывают влияние следующие основные факторы:

Число витков провода в катушке: При прочих равных условиях, увеличение числа витков приводит к увеличению индуктивности; уменьшение числа витков приводит к уменьшению индуктивности.

Пояснение: чем больше количество витков, тем больше будет магнитодвижущая сила для заданной величины тока.

 

 

Площадь поперечного сечения катушки: При прочих равных условиях, катушка с большей площадью поперечного сечения будет иметь большую индуктивность; а катушка с меньшей площадью поперечного сечения — меньшую индуктивность.

Пояснение: Катушка с большей площадью поперечного сечения оказывает меньшее сопротивление формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Длина катушки: При прочих равных условиях, чем больше длина катушки, тем меньше ее индуктивность; чем меньше длина катушки, тем больше ее индуктивность.

Пояснение: Чем больше длина катушки, тем большее сопротивление она оказывает формированию магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Материал сердечника: При прочих равных условиях, чем больше магнитная проницаемость сердечника, вокруг которого намотана катушка, тем больше индуктивность; чем меньше магнитная проницаемость сердечника — тем меньше индуктивность.

Пояснение: Материал сердечника с большей магнитной проницаемостью способствует формированию большего магнитного потока для заданной величины магнитодвижущей силы.

 

 

Приблизительное значение индуктивности любой катушки можно найти по следующей формуле:

 

 

Следует понимать, что данная формула дает только приблизительные цифры. Одной из причин такого положения дел является изменение величины магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля (вспомните нелинейность кривой В/Н для разных материалов). Очевидно, если проницаемость (µ) в уравнении будет непостоянна, то и индуктивность (L) также будет в некоторой степени непостоянна. Если гистерезис материала сердечника будет существенным, то это непременно отразится на индуктивности катушки. Разработчики катушек индуктивности пытаются минимизировать эти эффекты, проектируя сердечник таким образом, чтобы его намагниченность никогда не приближалась к уровням насыщения, и катушка работала в более линейной части кривой B/H.

Если катушку сделать таким образом, что любой из вышеперечисленных факторов у нее можно механически изменить, то получится катушка с регулируемой величиной индуктивности или вариометр. Наиболее часто встречаются вариометры, индуктивность которых регулируется количеством витков или  положением сердечника (который перемещается внутри катушки).

Пример вариометра с изменяемым количеством витков можно увидеть на следующей фотографии:

 

 

Это устройство использует подвижные медные контакты, которые подключаются к катушке в различных точках ее длины. Подобные катушки, имеющие воздушный сердечник, применялись в разработке самых первых радиоприемных устройств.

Катушка с фиксированными значениями индуктивности, показанная на следующей фотографии, представляет собой еще одно раритетное устройство, использовавшееся в первых радиостанциях. Здесь вы можете увидеть несколько витков относительно толстого провода, а так же соединительные выводы:

 

 

А это еще одна катушка индуктивности, так же предназначенная для радиостанций. Для большей жесткости ее провод намотан на керамический каркас:

 

 

Многие катушки индуктивности обладают небольшими размерами, что позволяет монтировать их непосредственно на печатные платы.

Посмотрев внимательно на следующую фотографию, можно увидеть две расположенные рядом катушки:

 

 

Две катушки индуктивности расположены справа в центре этой платы и имеют обозначения L1 и L2. В непосредственной близости от них находятся резистор R3 и конденсатор С16. Показанные на плате катушки называются «торроидальными», так как их провод намотан вокруг сердечника, имеющего форму тора.

Как резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности могут выполняться в корпусе для поверхностного монтажа (SMD). На следующей фотографии представлено несколько таких катушек:

 

 

Две индуктивности здесь расположены справа в центре платы. Они представляют собой маленькие черные чипы с номером «100», а над одной из них можно увидеть обозначение L

5.

зависимость индуктивности в катушке от сердечника


Определение и принцип работы

В наших уроках об электромагнетизме мы увидели, что когда электрический ток протекает через проводник, вокруг проводника возникает магнитный поток. Это создает взаимосвязь между направлением магнитного потока, который циркулирует вокруг проводника, и направлением тока, протекающего через тот же проводник, что приводит к хорошо известной взаимосвязи между током и направлением магнитного потока, называемой «Правило правой руки Флеминга».

Но есть и другое важное свойство, относящееся к намотанной катушке, которая также существует, а именно то, что вторичное напряжение индуцируется в ту же катушку движением магнитного потока, поскольку оно противостоит любым изменениям электрического тока, протекающего по нему.

Типичный индуктор

В своей основной форме Индуктор — это не что иное, как катушка проволоки, намотанная вокруг центрального сердечника. Для большинства катушек ток I, протекающий через катушку, создает магнитный поток вокруг нее, который пропорционален этому потоку электрического тока.

Индуктор, называемый также дросселем, является еще одним типом пассивного электрического компонента, который является простой катушкой провода предназначенного, чтобы воспользоваться этой взаимосвязью путем индукции магнитного поля, сам по себе, или в активной зоне в результате тока, проходящем через катушки. Это приводит к гораздо более сильному магнитному полю, чем то, которое создавалось бы простой катушкой из проволоки.

Индукторы образованы проволокой, плотно обернутой вокруг сплошного центрального сердечника, который может представлять собой либо прямой цилиндрический стержень, либо непрерывную петлю или кольцо для концентрации их магнитного потока.

Схематическое обозначение индуктора — это катушка с проводом, поэтому катушку с проводом можно также назвать индуктором. Индукторы обычно классифицируются в соответствии с типом внутреннего сердечника, вокруг которого они намотаны, например, полый сердечник, твердый железный сердечник или мягкий ферритовый сердечник, причем различные типы сердечников различаются путем добавления непрерывных или пунктирных параллельных линий рядом с проволочная катушкой, как показано ниже.

Как выбрать катушку индуктивности?

Нас часто спрашивают, как выбрать катушку индуктивности для тех или иных задач. Чем отличаются различные катушки индуктивности? Какие технологии применяются? Обо всём этом в данной статье — на примере катушек Mundorf.

Сохранить и прочитать потом —

Выбор проводника катушки

Звуковые характеристики катушки определяются не только сердечником и качеством производства, но также и типом проводника. Чтобы получить соответствующие катушки для каждого типа применения, используются три материала высокой чистоты.

  • Беcкислородная медь (OFC)
    Катушки, в которых в качестве материала проводника использована беcкислородная медь (чистая медь 99,997%), характеризуются гармоничным и объемным воспроизведением музыки, богатым деталями, а также имеют отличное соотношение цена/качество.
  • Чистое серебро
    Вследствие способности серебра передавать голоса и инструменты с большей динамикой, детальнее, с более широкой сценой и более насыщенными тембрами по сравнению с медью, катушки из чистого (99,99%) серебра высоко ценятся и являются предпочтением для большого числа ценителей хорошего звука.
  • Сплав золота с серебром
    99% серебра + 1% золота = 100% музыки. Этот сплав не только для конденсаторов самого высокого класса, таких как MCap® SUPREME Classic Silver-Gold.Oil, или аудиокабелей, но и для катушек индуктивности. Чистое золото (99,99%) изменяет кристаллическую структуру серебра и оптимизирует его высокую проводимость. Применение такого сплава позволяет раскрыть всю полноту тембров и характер голосов и инструментов, воспроизвести музыкальное произведение во всех мельчайших деталях без каких либо искажений оригинала. С одной стороны кристально чистое воспроизведение становится в тоже время живым и теплым, отображая ясную, четко локализованную музыкальную картину. Чистота и точность передачи, объединенная с живостью и насыщенностью тембров, отличает этот материал от других.

Провода SolidCore

Воспроизведение музыки с катушками из цельных круглых в сечении проводов (также называемых SolidCore) отличается живостью и точностью, также как и высокой тональной нейтральностью. Еще одним преимуществом круглого проводника являются очень компактные размеры катушки. Как и все катушки MUNDORF, катушки из этих проводов собираются и наматываются вручную в Германии с использованием специальных машин, обеспечивающих наивысшую точность.

Стандартные OFC

Они являются самыми экономически выгодными проводами для аудиокатушек индуктивности и доступны с диаметрами от 0,5 до 3,9 мм. Однако такие катушки не имеют дополнительной фиксации проводников и поэтому уступают другим типам катушек, производимых MUNDORF. При прохождении переменного сигнала возникает вибрация обмотки катушки. Вследствие микрофонного эффекта (преобразования механической энергии колебаний витков катушки обратно в электрические колебания) дополнительные колебания добавляются к основному сигналу, что приводит к искажениям деталей звукового сигнала. Это отражается как в ухудшении пространственного отображения звука, так и в неестественном воспроизведении тембров. Однако такой нежелательный эффект может быть полностью устранен при использовании запекания в лаке или вакуумной пропитки.

Проводник в спеченном лаке

Эти катушки имеют круглый в сечении проводник из чистой меди OFC, покрытый слоем лака. После намотки катушки она нагревается при помощи электрического импульса, что приводит к плавлению слоя лака. После охлаждения отдельные обмотки оказываются крепко связаны друг с другом спеченным лаком, что препятствует появлению вибраций обмоток и искажению сигнала. К сожалению, такой тип катушек доступен только с диаметром проводника от 0,5 до 1,4 мм. Для больших диаметров используется вакуумная пропитка.

Вакуумная пропитка

Вакуумная пропитка представляет собой процедуру, настолько же эффективную как фиксация проводников при нагреве лака, но используемую для проводников с большим диаметром (от 2 до 3,9 мм). В ходе этой операции катушка пропитывается специальным лаком под действием вакуума вплоть до самых глубоких внутренних витков. Затем пропитанная катушка сушится при 130°С. Таким образом вся катушка превращается практически в монолитное сооружение.

Гепта-проводник

Использование сборки, состоящей из семи отдельных изолированных и связанных друг с другом проводов, позволяет добиться живого и мягкого воспроизведения тембров, в то же время передавая все мельчайшие детали звука. За эти характеристики такие катушки высоко ценятся аудиолюбителями и проектировщиками аудиооборудования, особенно когда требуется сделать звучание акустической системы более детальным и четким без негативного влияния на прозрачность и тональную насыщенность.

Такие характеристики этих катушек обусловлены использованием круглых в сечении проводников в сборке особого типа. Спеченная обмотка и усиленное шасси катушки образуют катушку индуктивности с наивысшей механической стабильностью и равновесием. Таким образом, искажения и изменения окраски звука полностью отсутствуют. Кроме того, большая площадь поверхности семи жил сборки увеличивает эффективную проводимость высокочастотного сигнала (вследствие скин-эффекта). Семижильная сборка 7×0,6 мм соответствует одножильному проводнику диаметром 1,6 мм.

Катушки из фольги

При использовании катушек из цельнометаллической фольги (также известных как ленточные катушки), воспроизведение музыки приобретает невероятную динамику, отличную детальность и объемность, при этом обладая самыми низкими искажениями звука. Даже самые тонкие нюансы звука передаются абсолютно реалистично, полностью раскрывая замысел исполнителя. Вследствие таких характеристик ленточные катушки MUNDORF стали неотъемлемой частью многих аудиокомпонентов высшего класса.

Витки такой катушки намотаны друг на друга, поэтому ленточные катушки гораздо ближе к физически идеальной катушке индуктивности, чем любые другие конструкции катушек. Это, к примеру, отражается на параметрах катушки, которые остаются неизменными вплоть до 100 кГц. Кроме того, эти катушки обладают низкой емкостью, несмотря на сходство конструкции обмотки с конденсатором, что препятствует искажению высоких частот. Большая площадь поверхности фольги увеличивает эффективную проводимость на высоких частотах (как следствие скин-эффекта).

Еще одной заметной особенностью является высокая механическая стабильность этого типа катушек, которые тщательно скрепляются вручную. Вследствие большой площади контакта между витками обмотки и использования пластичной изоляции колебания отдельных витков эффективно гасятся. Таким образом, ленточные катушки имеют самый низкий уровень вибрации из всех типов катушек. Ленточные катушки имеют несколько вариантов ширины фольги, соответствующих использованию круглого в сечении проводника с диаметрами 1,25 мм, 1,60 мм, 2,00 мм и 2,50 мм.

Выбор сердечника катушки

Качество воспроизведения при использовании катушки индуктивности зависит не только от материала проводника и качества изготовления, но также и от типа сердечника. Поскольку каждый материал сердечника имеет свои преимущества и недостатки, катушки имеют четыре различных материала сердечника, тем самым образуя семь различных типов сердечников. Это позволяет подобрать необходимую катушку для каждой отдельной задачи.

Чтобы предотвратить микрофонный эффект, все катушки MUNDORF наматываются на каркас катушки. Это обеспечивает необходимую стабильность катушки, механически развязывает катушку от платы (места установки) и вдобавок упрощает процесс производства.

Воздушные катушки (Air сoils)

Идеальным материалом сердечника для катушки является воздух. Катушки с воздушным сердечником превосходят по характеристикам все катушки с металлическими сердечниками, как по точности передачи импульса, так и по отсутствию искажений звукового сигнала. Они могут быть использованы в любой цепи, и для фильтра пропускающего высокие частоты, как катушку для басового динамика (с большой площадью сечения проводника) или для корректировки компонентов (с малой площадью сечения проводника).

Точность, динамика, тонкие тональные оттенки, высокая детальность и живое воспроизведение звука отличает катушки с воздушным сердечником от других. Таким образом, они являются основой реалистичного и гармоничного звучания акустических систем высокого класса.

Катушки с сердечником

Катушки с сердечником имеют металлический сердечник, который усиливает магнитное поле катушки. По сравнению с воздушными катушками они имеют меньшие размеры, меньшую стоимость, более высокую индуктивность и более низкое активное сопротивление. Однако катушки с металлическим сердечником оказывают негативное влияние на качество звука.

Ферритовый сердечник (Ferrite core)

Такие сердечники получают спеканием метало-пластиковой пудры. Сделанный в Германии материал феррита НР3616, используемый в этих сердечниках, имеет значительно более высокие характеристики, чем материал, произведенный в Азии, часто используемый в других катушках. Для этого материала характерны низкие искажения сигнала и высокая реверсивность магнитного поля (равно и изменение ориентации поля). Музыкальный сигнал имеет сильную задержку, поэтому катушки с ферритовыми сердечниками подходят для использования в цепях коррекции, а также в среднечастотном диапазоне. Однако, только протестированный материал НР3616, удовлетворяющий определенным требованиям по устойчивости и уровню искажений, может быть пригоден для использования в средне-низкочастотном диапазоне и даже в низкочастотной области для усилителей с более низкими характеристиками.

Аронитовый сердечник (Aronit core)

Эти сердечники (также известные как Р-сердечники) состоят из метало-керамической пудры высокой плотности. Сделанные в Германии ферритовые стержни «Wicon» обеспечивают очень низкий уровень искажений, даже при очень высоких нагрузках. Вследствие их компактных размеров, низкого активного сопротивления и отличного соотношения цена/качество они могут быть использованы даже в басовых секциях фильтров акустических систем и сабвуферов.

Фероновый сердечник (Feron core)

Он состоит из железно-кремниевого сплава (также называемый электрическими листами). Высококачественные трансформаторные пластины прокатаны и проштампованы несколько раз в ходе особых операций таким образом, что кристаллы становятся ориентированными в одном направлении, а также кристаллическая решетка становится более однородной. Таким образом, катушки MUNDORF с фероновым сердечником заметно отличаются от обычных катушек того же типа как по результатам измерений, так и по результатам прослушиваний.

Они выделяются вследствие минимальных искажений, минимальных потерь при изменении ориентации магнитного поля и стабильности параметров при высоких нагрузках. Таким образом, они хорошо подходят для различных задач.

Катушки с нулевым сопротивлением (ZOC)

Эти катушки производятся только компанией MUNDORF. Воздушный зазор между двумя наборами фероновых пластин в таких катушках калибруется и точно подстраивается вручную. Этот воздушный зазор определяет индуктивность катушки и требует большого внимания в процессе производства. Высокие затраты на производство этих катушек окупаются максимальной точностью передачи импульса, а также музыкального сигнала. Особая форма феронового сердечника позволяет получить более низкое внутреннее сопротивление по сравнению с другими типами сердечников.

Эту статью прочитали 37 933 раза

Статья входит в разделы:

Как выбрать. Гид покупателя»Сделай сам»

Индуктор на схеме

Ток I, который протекает через катушку индуктивности производит магнитный поток, который пропорционален к нему. Но в отличие от конденсатора, который противодействует изменению напряжения на своих пластинах, индуктор противодействует скорости изменения тока, протекающего через него, из-за накопления самоиндуцированной энергии в его магнитном поле.

Другими словами, катушки индуктивности сопротивляются или противостоят изменениям тока, но легко пропустят постоянный ток. Эта способность индуктора противостоять изменениям тока и которая также связывает ток I с его магнитным потоком как коэффициент пропорциональности, называется индуктивностью, которому присвоен символ L с единицами измерения Генри ( H ).

Поскольку Генри представляет собой относительно большую единицу индуктивности, для младших индукторов Генри используются для обозначения его значения. Например:

Что такое индуктивность

Этим термином обозначают зависимость, которая устанавливается между силой тока в проводнике (I) и созданным магнитным потоком (Ф):

L = Ф/ I.

С учетом базового определения несложно понять зависимость индуктивности от свойств окружающей среды, оказывающей влияние на распределение силовых линий. Определенное значение имеют размеры и конфигурация проводящего элемента.

Индуктивность подобна механической инерции. Только в данном случае речь идет о действиях с электрическими величинами. Этим коэффициентом характеризуют способность рассматриваемого компонента противодействовать изменению проходящего через него тока.

Префиксы индуктивности

ПрефиксУсловное обозначениемультипликаторСтепень десяти
миллиm1/1 00010 -3
микроμ1/100000010 -6
наноn1/100000000010 -9

Таким образом, для отображения подразделов Генри мы будем использовать в качестве примера:

  • 1mH = 1 милли-Генри — что равно одной тысячной (1/1000) Генри.
  • 100μH = 100 микро-Генри — что равно одной 100-миллионной ( 1/1 000 000) Генри.

Индукторы или катушки очень распространены в электрических цепях, и существует множество факторов, определяющих индуктивность катушки, таких как форма катушки, число витков изолированного провода, число слоев провода, расстояние между витками, проницаемость материала сердечника, размер или площадь поперечного сечения сердечника и т. д.

Катушка индуктивности имеет площадь поперечного сечения сердечника ( A ) с постоянным числом витков провода на единицу длины ( l ). Таким образом, если катушка N витков связана на величину магнитного потока Φ то катушка имеет потокосцепление и любой ток I, который протекает через катушку будет производить индуцированный магнитный поток в противоположном направлении по отношению к потоку тока. Затем, согласно закону Фарадея, любое изменение в этой связи магнитного потока производит самоиндуцированное напряжение в одной катушке:

Где:

  • N — число витков
  • А — площадь поперечного сечения в м 2
  • Φ — количество потока в Веберах
  • μ — проницаемость материала сердечника
  • L — длина катушки в метрах
  • di / dt — скорость изменения тока в Амперах в секунду

Изменяющееся во времени магнитное поле индуцирует напряжение, которое пропорционально скорости изменения тока, создающего его, с положительным значением, указывающим на увеличение ЭДС, и отрицательным значением, указывающим на уменьшение ЭДС. Уравнение, связывающее это напряжение, ток и индуктивность с самоиндукцией, может быть найдено путем замены μN 2 A / l на L, обозначая постоянную пропорциональности, называемую индуктивностью катушки.

Соотношение между потоком в катушке индуктивности и током, протекающим через катушку индуктивности, имеет вид: NΦ = Li . Поскольку катушка индуктивности состоит из катушки с проводящим проводом, это уменьшает приведенное выше уравнение, чтобы получить самоиндуцированную ЭДС, иногда называемую также обратной ЭДС, индуцированной в катушке.

Материал сердечника

Формула ЭДС индукции

Как и в предыдущем примере, для вычисления индукции катушки с сердечником в представленные выше формулы добавляют множитель относительной магнитной проницаемости «m»:

L = m0 * m * N2 * (S/l) = m0 * m * n2 * V.

С помощью этого коэффициента учитывают ферромагнитные свойства определенного материала.

Если для примера взять бесконечный (очень длинный) прямой провод с круглым сечением, то он будет обладать определенной индуктивностью:

L = (m0/2π) * l *(mc * ln(l/r) +1/4m,

где:

  • mc – магнитная проницаемость (относительная) среды;
  • r – радиус, который намного меньше длины (l) проводника.

Однако простые зависимости действуют только до определенной частоты. С определенного уровня волны малой длины начинают распространяться в поверхностной части проводников (скин-эффект). Дополнительно приходится учитывать влияние вихревых составляющих, экранирующих излучение и меняющих силовые параметры поля.

Современные магнитные материалы

Катушка будет работать в точном соответствии с расчетом, если правильно подобраны все функциональные компоненты конструкции. Как показано выше, существенное значение имеют параметры сердечника. Ниже отмечены важные особенности соответствующих материалов:

  • Сталь с низким содержанием примесей стоит недорого. Ее рекомендуется применять в цепях постоянного тока, так как при повышении частоты значительно увеличиваются потери.
  • В специальные сорта (трансформаторную сталь) добавляют кремний. Для уменьшения вредного влияния поверхностных эффектов сердечник собирают из пластин. Однако и такие решения не следует использовать при частоте более 1 кГц.
  • Сплавы из железа с никелем отличаются увеличенной магнитной проницаемостью. Рабочий диапазон – до 80-120 кГц.
  • Порошковые материалы создают со слоем диэлектрика на поверхностях отдельных микроскопических гранул. Они хорошо приспособлены для работы с высокочастотными сигналами, однако не обладают большой магнитной проницаемостью.
  • Ферриты – это материалы, созданные на основе керамических компонентов. Они отличаются хорошими техническими характеристиками, малыми потерями. Следует учитывать значительную зависимость от температуры, а также ухудшение рабочих параметров при длительной эксплуатации.


Измерение индуктивности катушки, созданной из медного провода на ферритовом сердечнике

Обратная ЭДС генерируемая индуктором

Где: L — собственная индуктивность, а di / dt — скорость изменения тока.

Таким образом, из этого уравнения мы можем сказать, что «самоиндуцированная ЭДС = индуктивность * скорость изменения тока» и цепь с индуктивностью один Генри будет иметь ЭДС 1 вольт, индуцированную в цепи, когда ток, протекающий через цепь, изменяется со скоростью 1 Ампер в секунду.

Катушка индуктивности

Один важный момент, который нужно отметить относительно приведенного выше уравнения. Он только связывает ЭДС, создаваемую через индуктор, с изменениями тока, потому что, если ток индуктора постоянен и не изменяется, например, в постоянном токе, то индуцированное напряжение ЭДС будет равно нулю, поскольку мгновенная скорость изменения тока равна ноль di / dt = 0.

При постоянном токе, протекающем через индуктор и, следовательно, нулевом индуцированном напряжении на нем, индуктор действует как короткое замыкание, равное куску провода, или, по крайней мере, очень низкое значение сопротивления. Другими словами, противодействие протеканию тока, предлагаемого индуктором, очень различно в цепях переменного и постоянного тока.

Самоиндукция

Индуктивность проводника

Если через замкнутый контур пропускать переменный ток, можно зарегистрировать с помощью простых экспериментов магнитное поле в окружающей среде. Изменение силовых параметров сопровождается появлением в цепи наведенной электродвижущей силы. Данное явление называют самоиндукцией.

Величину ЭДС можно вычислить по формуле:

Е = -L * (Δi/Δt).

Это выражение показывает зависимость напряжения от изменения тока за единицу времени. Поправочный коэффициент (L) обозначает особенности проводника (индукционной катушки). Знак «-» характеризует инерционные свойства явления.

При пропускании синусоидального сигнала следует учитывать отставание напряжения (векторное выражение) от тока на 90 градусов. Амплитуда будет прямо пропорциональна частоте (w):

E = L * I * w.

Постоянная времени индуктора

Теперь мы знаем, что ток не может изменяться мгновенно в индуктивности, потому что для этого ток должен измениться на конечную величину за нулевое время, что приведет к тому, что скорость изменения тока будет бесконечной di / dt = ∞ , делая индуцированную ЭДС бесконечной, а бесконечного напряжения не существует. Однако, если ток, протекающий через индуктор, изменяется очень быстро, например, при работе переключателя, на катушке индуктивности могут возникать высокие напряжения.

Рассмотрим схему индуктора выше. Когда переключатель ( S1 ) разомкнут, ток через катушку индуктивности не течет. Поскольку через индуктор ток не течет, скорость изменения тока ( di / dt ) в катушке будет равна нулю. Если скорость изменения тока равна нулю, то в катушке индуктивности нет ЭДС самоиндукции ( V L= 0 ).

Если мы теперь закроем переключатель (t = 0), ток будет проходить через цепь и медленно подниматься до своего максимального значения со скоростью, определяемой индуктивностью индуктора. Эта скорость тока, протекающего через катушку индуктивности, умноженная на индуктивность по Генри, приводит к тому, что на катушке образуется некоторая самоиндуцированная ЭДС с фиксированным значением, определенная уравнением Фарадея V L = Ldi / dt.

Эта самоиндуцированная ЭДС на катушке индуктивности ( V L ) борется с приложенным напряжением до тех пор, пока ток не достигнет своего максимального значения и не будет достигнуто устойчивое состояние. Ток, который сейчас течет через катушку, определяется только постоянным или «чистым» сопротивлением обмоток катушек, поскольку значение реактивного сопротивления катушки уменьшилось до нуля, поскольку скорость изменения тока (di / dt) равна нулю в устойчивом состоянии. Другими словами, теперь существует только сопротивление катушек постоянного тока, чтобы противостоять потоку тока.

Аналогичным образом, если переключатель ( S1 ) разомкнут, ток, протекающий через катушку, начнет падать, но индуктор снова будет бороться с этим изменением и попытается удержать ток в своем прежнем значении, индуцируя напряжение в другом направлении. Наклон падения будет отрицательным и связан с индуктивностью катушки, как показано ниже.

Терминология

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем

, а иногда реактором.

В силовой электротехнике (для ограничения тока при, например, коротком замыкании ЛЭП) называют реактором

.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом

, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую
соленоидом
называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или
электромагнитом
. В электромагнитных реле называют
обмоткой реле
, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор

— специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии (например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения) называют индукционным накопителем

или накопительным дросселем.

Ток и напряжение в индукторе

Сколько индуктивного напряжения будет генерироваться индуктором, зависит от скорости изменения тока. В нашем уроке об электромагнитной индукции закон Ленца гласил: «Направление индуцированной ЭДС таково, что оно всегда будет противостоять изменению, которое его вызывает». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет противопоставлять движение или изменение, которые изначально вызвали индуцированную ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока полярность напряжения будет действовать как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока через катушку, увеличение или уменьшение величины индуцированной ЭДС будет одинаковым.

Мощность в индукторе

Мы знаем, что индуктор в цепи противостоит потоку тока I через него, потому что поток этого тока индуцирует ЭДС, которая противостоит ему, закон Ленца. Затем необходимо выполнить работу от внешнего источника батареи, чтобы ток протекал против этой индуцированной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для форсирования тока I по отношению к этой самоиндуцированной ЭДС (V L), определяется как:

Мощность в цепи задается как P = V * I, поэтому:

Идеальный индуктор не имеет сопротивления, только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и поэтому мощность в катушке не рассеивается, поэтому можно сказать, что идеальный индуктор имеет нулевую потерю мощности.

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя

однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки. Намотка может быть как
однослойной
(рядовая и с шагом), так и
многослойной
(рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса[1].

Магнитное поле катушки с током

Опыт показывает, что индукция магнитного поля на расстоянии R от прямого проводника с током пропорциональна I и обратно пропорциональна R.

где μ0 = 4π∙10—7 Н/А2 ≈ 1,26∙10—6

Н/А2.

Магнитное поле катушки с током. Соленоид. Усиление действия магнитного поля катушки с током железным сердечником

В центре кругового витка с током индукция магнитного поля направлена по нормали к витку.

Рис. 1. Вектор индукции магнитного поля кругового витка с током

В центре кругового проводника радиуса R по которому протекает ток I индукция магнитного поля равна

где магнитная постоянная μ0 = 4π∙10—7 Н/А2 ≈ 1,26∙10—6 Н/А2.

Соленоидом называется проводник, свернутый в виде спирали, в которой N витков, а длина l значительно больше диаметра. Слово «соленоид» происходит от греческих solen — трубка, eidos — вид.

Рис. 2. Соленоид начала XIX века. Вектор магнитной индукции соленоида

Магнитное поле соленоида (катушки с током), который представляет несколько витков с током, является однородным, магнитное поле вне соленоида мало по сравнению с полем внутри. Модуль вектора индукции магнитного поля соленоида (катушки с током)

где n — число витков в соленоиде, I — сила тока, N — число витков, — число витков на единицу длины соленоида (катушки с током).

Рис. 3. Соленоиды

Модель 1. Магнитное поле вокруг проводников с током

Модель 2. Магнитное поле соленоида

Магнитное поле соленоида (катушки с током) можно значительно усилить, не увеличивая число витков и не увеличивая силу тока. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (ферромагнетик), который называется сердечником. Это используют при изготовлении электромагнитов, трансформаторов, электродвигателей и т. д.

Рис. 4. При внесении в катушку с током железного сердечника отклонение малой катушки значительно увеличивается

Катушка с железным сердечником называется электромагнитом.

Рис. 5. Мощные электромагниты

собственная индуктивность катушки — это… Что такое собственная индуктивность катушки?

собственная индуктивность катушки
coil inductance

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

  • собственная индуктивность
  • собственная индукция

Смотреть что такое «собственная индуктивность катушки» в других словарях:

  • собственная индуктивность катушки — индуктивность Отношение потокосцепления самоиндукции катушки индуктивности к току, протекающему через нее. [ГОСТ 20718 75] Тематики катушки индуктивности аппаратуры связи Синонимы индуктивность EN inductance of coil FR inductance de bobine …   Справочник технического переводчика

  • Собственная индуктивность катушки — 32. Собственная индуктивность катушки Индуктивность Е. Inductance of coil F. Inductance de bobine Источник: ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения о …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Собственная индуктивность — 63. Собственная индуктивность D. Eigeninduktivität E. Self inductance F. Inductance propre По ГОСТ 19880 74 Источник: ГОСТ 21415 75: Конденсаторы. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • ГОСТ 20718-75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения — Терминология ГОСТ 20718 75: Катушки индуктивности аппаратуры связи. Термины и определения оригинал документа: 71. Базовая конструкция катушки индуктивности Базовая конструкция Е. Unified construction of coil F. Construction normalisée de bobine… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Катушка индуктивности — У этого термина существуют и другие значения, см. Катушка (значения). Катушка индуктивности (дроссель) на материнской плате компьютера …   Википедия

  • ГОСТ Р 52002-2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий — Терминология ГОСТ Р 52002 2003: Электротехника. Термины и определения основных понятий оригинал документа: 128 (идеальный электрический) ключ Элемент электрической цепи, электрическое сопротивление которого принимает нулевое либо бесконечно… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Индуктивности измерители —         приборы для измерения индуктивности контуров с сосредоточенными параметрами, обмоток трансформаторов и дросселей, катушек индуктивности и пр. Принципы действия их зависят от методов измерений. Метод «вольтметра амперметра» (рис. 1)… …   Большая советская энциклопедия

  • Автоколебания — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.[1] Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что… …   Википедия

  • Молоток Маклакова — молоток, совершающий удары за счёт энергии электрической цепи переменного тока с частотой, много превышающей частоту тока в цепи. Является примером автоколебаний. Принцип действия Катушка L колебательного контура помещается над …   Википедия

  • Индуктивности катушка —         свёрнутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной Индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. И. к. состоит из одножильного, реже многожильного, изолированного провода, намотанного на… …   Большая советская энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет,… …   Энциклопедия Кольера

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 (Bsat), 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 Bsat 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 Bsat 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 Bsat, и они существенно смещаются в сторону дальнейшего понижения Bsat 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 Bsat сплав High Flux имеет оптимальное соотношение между магнитной проницаемостью и силой подмагничивания. Иными словами, повышенное значение Bsat 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 Bsat.

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)/Le, где:

N — число витков
I — ток в амперах
Le — 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 (AL) 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 AL, 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 AL) 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»

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля тока. Примеры решения задач по физике. 10-11 класс

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля тока. Примеры решения задач по физике. 10-11 класс

Подробности
Просмотров: 1125

Задачи по физике — это просто!

Не забываем, что решать задачи надо всегда в системе СИ!


А теперь к задачам!

Элементарные задачи из курса школьной физики на расчет индуктивности, самоиндукции, энергии магнитного поля тока.

Задача 1

Какова индуктивность витка проволоки, если при токе 6 А создается магнитный поток 12 мВб?


Задача 2

В катушке из 150 витков течет ток 7,5 А, и при этом создается магнитный поток 20 мВб.
Какова индуктивность катушки?


Задача 3

Через соленоид, индуктивность которого 0,4 мГн и площадь поперечного сечения 10 см2, проходит ток 0,5 А.
Какова индукция поля внутри  соленоида, если он содержит 100 витков?

Задача 4

Определить индуктивность контура с током 1,2 А, если контур ограничивает  площадь 20 см2, а магнитная индукция поля равна 0,8 Тл, причем вектор магнитной индукции направлен под углом  30o к плоскости контура.



Задача 5

Какая ЭДС самоиндукции возбуждается в обмотке электромагнита с индуктивностью 0,4 Гн при изменении силы тока на 5 А за  0,02 секунды?


Задача 6

Определить энергию магнитного поля катушки, если ее индуктивность 0,2 Гн, а ток в ней 12 А.


Задача 7

Какой должна быть сила тока в катушке с индуктивностью 0,5 Гн, чтобы энергия магнитного поля оказалась равной 1 Дж?


Задача 8

Найти энергию магнитного поля соленоида, индуктивность которого 0,02 Гн, а магнитный поток через него составляет 0,4 Вб.



Магнитное поле (страница 1)

Решение:
На проводник действуют: две одинаковые силы натяжения нитей Т, сила тяжести mg и сила

со стороны магнитного поля, где α — угол между направлениями тока I и магнитной индукции (в нашем случае α = 90° и sinα = 1). Подразумевается, что направления тока и магнитной индукции таковы, что сила F направлена вниз (рис. 140). В противном случае силы натяжения нитей при пропускании тока не возрастают, а уменьшаются, и нити не оборвутся.
Если проводник находится в равновесии, то

отсюда

Для разрыва одной из нитей необходимо выполнение условия

или

6 На прямой проводник длины l=0,5 м, расположенный перпендикулярно к линиям индукции магнитного поля, действует сила F=0,15 Н. Найти ток I, протекающий в проводнике, если магнитная индукция B = 20 мТл.

Решение:
Если проводник расположен перпендикулярно к направлению магнитной индукции, то F=BIl, где I-ток в проводнике; отсюда I=F/Bl=15 А.

7 Между полюсами магнита подвешен горизонтально на двух невесомых нитях прямой проводник длины l=0,2 м и массы m=10 г. Индукция однородного магнитного поля B = 49 мТл и перпендикулярна к проводнику. На какой угол α от вертикали отклонятся нити, поддерживающие проводник, если по нему пропустить ток I=2 А?

Решение:
На проводник действуют: силы натяжения двух нитей Т, сила тяжести mg и сила F=BIl со стороны магнитного поля (рис. 371). При равновесии проводника суммы проекций сил (с учетом их знаков) на вертикальное и горизонтальное направления равны нулю:

отсюда

8 Найти напряженность Н и индукцию B магнитного поля прямого тока в точке, находящейся на расстоянии r=4м от проводника, если ток I=100 А.

Решение:

9 ГОСТ 8.417—81 дает такое определение единицы силы тока — ампера: «Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожной малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длины 1 м силу взаимодействия, равную ». Исходя из этого определения, вычислить магнитную постоянную mo.

Решение:
Вокруг бесконечно длинного прямолинейного проводника, по которому течет ток I1 образуется магнитное поле, напряженность которого на расстоянии r от проводника

а индукция

При этом векторы Н и В направлены одинаково и лежат в плоскости, перпендикулярной к проводнику. На отрезок второго проводника длины l, по которому течет ток I2, магнитное поле действует с силой

где α — угол между направлениями отрезка проводника и магнитной индукции. Так как второй проводник параллелен первому, то α = 90° и sinα = 1. Таким образом,

Подставив значения

найдем

10 Индукция однородного магнитного поля B=0,5 Тл. Найти магнитный поток через площадку S=25 см2, расположенную перпендикулярно к линиям индукции. Чему будет равен магнитный поток, если площадку повернуть на угол α = 60° от первоначального положения?

Решение:
На рис. 372 показано направление магнитной индукции и положение площадки в обоих случаях. По определению магнитный поток

где α — угол между нормалью n к площадке и направлением магнитной индукции В. В первом случае

во втором случае α=φ (углы с взаимно перпендикулярными сторонами) и

11 Найти магнитную индукцию и магнитный поток через поперечное сечение никелевого сердечника соленоида (рис. 141), если напряженность однородного магнитного поля внутри соленоида H=25 кА/м. Площадь поперечного сечения сердечника S=20 см2, магнитная проницаемость никеля μ = 200.

Решение:

12 Магнитный поток через поперечное сечение катушки, имеющей n=1000 витков, изменился на величину ΔФ = 2 мВб в результате изменения тока в катушке от I1 = 4 А до I2 = 20А. Найти индуктивность L катушки.

Решение:

13 Виток площади S = 2 см2 расположен перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля. Найти индуцируемую в витке э.д.с, если за время Δt = 0,05 с магнитная индукция равномерно убывает от B1=0,5Тл до В2 = 0,1 Тл.

Решение:

14 Какой магнитный поток пронизывал каждый виток катушки, имеющей n =1000 витков, если при равномерном исчезновении магнитного поля в течение времени Δt = 0,1 с в катушке индуцируется э.д.с. ε = 10 В?

Решение:

15 Рамка в форме равностороннего треугольника помещена в однородное магнитное поле с напряженностью H=64кА/м. Нормаль к плоскости рамки составляет с линиями индукции магнитного поля угол α = 30°. Найти длину стороны рамки а, если в рамке при выключении поля в течение времени Δt = 0,03 с индуцируется э. д. с. ε = 10 мВ.

Решение:
Начальный магнитный поток через рамку

где
площадь рамки и B=µ0H-магнитная индукция. Конечный магнитный поток Ф2=0. Изменение магнитного потока

Э.д.с. индукции

отсюда


16 Квадратная рамка со стороной а=10см помещена в однородное магнитное поле. Нормаль к плоскости рамки составляет с линиями индукции магнитного поля угол α = 60°. Найти магнитную индукцию В этого поля, если в рамке при выключении поля в течение времени Δt = 0,01 с индуцируется э.д.с. ε = 50 мВ.

Решение:

17 Плоский виток площади S= 10 см2 помещен в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям индукции. Сопротивление витка R=1 Ом. Какой ток I протечет по витку, если магнитная индукция поля будет убывать со скоростью ΔB/Δt = 0,01 Тл/с?

Решение:

18 Плоский виток площади S= 10 см2 помещен в однородное магнитное поле с напряженностью H=80 кА/м, перпендикулярное к линиям индукции. Сопротивление витка R = 1 Ом. Какой заряд протечет по витку, если поле будет исчезать с постоянной скоростью?

Решение:

19 Какова индуктивность катушки с железным сердечником, если за время Δt = 0,5 с ток в цепи изменился от I1 = 10 А до I2 = 5 А, а возникшая при этом э.д.с. самоиндукции ε = 25 В?

Решение:
Э.д.с. самоиндукции

отсюда

20 Проводник длины l=2 м движется в однородном магнитном поле со скоростью v = 5 м/с, перпендикулярной к проводнику и линиям индукции поля. Какая э. д. с. индуцируется в проводнике, если магнитная индукция B=0,1 Тл?
Решение:
Э.д.с. индукции

магнитный поток через площадь ΔS, «заметаемую» проводником за время Δt (рис. 373). Опуская знак минус, найдем

21 Самолет летит горизонтально со скоростью v = 900 км/ч. Найти разность потенциалов, возникающую между концами крыльев самолета, если вертикальная составляющая индукции земного магнитного поля Bo = 0,5 мкТл и размах крыльев самолета l=12 м.

Решение:
Крылья самолета за время Δt «заметают» площадь

Магнитный поток через эту площадь равен

где

вертикальная составляющая индукции земного магнитного поля (α — угол между вертикалью и направлением магнитной индукции). Разность потенциалов V между концами крыльев самолета равна э.д.с. ε, индуцируемой в металлических крыльях и корпусе самолета при его движении в магнитном поле Земли:

22 С какой скоростью должен двигаться проводник длины l=10 см перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля, чтобы между концами проводника возникла разность потенциалов V=0,01 В? Скорость проводника составляет с направлением самого проводника угол α = 30°. Линии индукции перпендикулярны к проводнику, индукция B = 0,2 Тл.

Решение:
Площадь, «заметаемая» за время Δt проводником, скорость которого v направлена под углом а к самому проводнику, представляет собой площадь параллелограмма (рис.374):

Магнитный поток через эту площадь

Разность потенциалов V между концами проводника равна э.д.с. ε, индуцируемой в этом проводнике:

23 Какой ток идет через гальванометр, присоединенный к железнодорожным рельсам, при приближении к нему поезда со скоростью v = 60 км/ч? Вертикальная составляющая индукции земного магнитного поля Bо=50 мкТл. Сопротивление гальванометра R=100 Ом. Расстояние между рельсами l=1,2 м; рельсы считать изолированными друг от друга и от земли.

Решение:

24 Квадратная рамка со стороной l=2 см помещена в однородное магнитное поле с индукцией B = 100 Тл. Плоскость рамки перпендикулярна к линиям индукции поля. Сопротивление рамки R=1 Ом. Какой ток протечет по рамке, если ее выдвигать из магнитного поля со скоростью ν = 1 см/с, перпендикулярной к линиям индукции? Поле имеет резко очерченные границы, и стороны рамки параллельны этим границам.

Решение:
Пока рамка находится в области, где имеется магнитное поле, магнитный поток через поверхность, ограниченную рамкой,
при движении рамки не изменяется. Поэтому э.д.с. индукции в рамке не возникает. После того как одна из сторон рамки вышла за границу поля (рис. 375), магнитный поток через поверхность, ограниченную рамкой, будет изменяться. За время Δt рамка перемещается на расстояние νΔt и часть площади рамки, которую пересекает магнитное поле, уменьшается на величину
Магнитный поток за это время изменяется на величину

Индуцируемая в рамке э.д.с.

и по рамке протечет ток

Когда рамка выйдет из области, где имеется магнитное поле, э.д.с. индукции снова станет равной нулю.

25 Проволочный виток площади S= 1 см2, имеющий сопротивление R = 1 мОм, пронизывается однородным магнитным полем, линии индукции которого перпендикулярны к плоскости витка. Магнитная индукция изменяется со скоростью ΔB/Δt = 0,01 Тл/с. Какое количество теплоты выделяется в витке за единицу времени?

Решение:

26 Прямоугольная рамка, подвижная сторона которой имеет длину l, помещена в однородное магнитное поле с индукцией B. Плоскость рамки перпендикулярна к линиям индукции магнитного поля. Подвижную сторону, которая вначале совпадает с противоположной ей неподвижной, начинают двигать равномерно со скоростью ν. Найти зависимость тока I в рамке от времени t. Сопротивление единицы длины проводника равно Rl.

Решение:


27 Два параллельных, замкнутых на одном конце провода, расстояние между которыми l=50 см, находятся в однородном магнитном поле с индукцией B = 5 мТл. Плоскость, в которой расположены провода, перпендикулярна к линиям индукции поля. На провода положен металлический мостик, который может скользить по проводам без трения. Мостик под действием силы F=0,1 мН движется со скоростью ν=10м/с. Найти сопротивление R мостика. Сопротивлением проводов пренебречь.

Решение:

28 Рамка из n = 1000 витков, имеющих площадь S = 5 см2, замкнута на гальванометр с сопротивлением R=10 кОм и помещена в однородное магнитное поле с индукцией B=10мТл, причем линии индукции поля перпендикулярны к ее плоскости. Какой заряд q протечет по цепи гальванометра, если направление индукции магнитного поля плавно изменить на обратное?

Решение:
При плавном изменении магнитной индукции в рамке индуцируется э.д.с.

где ΔФ-изменение магнитного потока, Δt — время, в течение которого происходило это изменение. Ток в рамке

Заряд, протекший по цепи за время Δt,

Начальный поток магнитной индукции

При изменении направления магнитного поля на обратное магнитный поток изменяет знак. Поэтому конечный магнитный поток

Изменение магнитного потока

Таким образом,

29 Замкнутая катушка диаметра D с числом витков n помещена в однородное магнитное поле с индукцией В. Плоскость катушки перпендикулярна к линиям индукции поля. Какой заряд q протечет по цепи катушки, если ее повернуть на 180? Проволока, из которой намотана катушка, имеет площадь сечения S и удельное сопротивление ρ.

Решение:

30 В цепь включены последовательно источник тока с э.д.с. ε = 1,2 В, реостат с сопротивлением R=1 Ом и катушка с индуктивностью L=1 Гн. В цепи протекал постоянный ток I0. С некоторого момента сопротивление реостата начинают менять так, чтобы ток уменьшался с постоянной скоростью ΔI/Δt = 0,2 А/с. Каково сопротивление R, цепи спустя время t = 2 с после начала изменения тока?

Решение:
Сумма э.д.с. источника тока и э.д.с, индуцируемой в цепи при равномерном изменении тока, равна

Ток изменяется
по закону

Сопротивление цепи в любой момент времени

В момент времени t= 2 с искомое сопротивление Rt= 1,75 0м.

31 Какой ток I покажет амперметр в схеме, изображенной на рис. 142, если индукция перпендикулярного к плоскости рисунка однородного магнитного поля меняется с течением времени по закону B = kt? Точки с и d лежат на концах диаметра проволочного кольца. Сопротивление единицы длины проволоки равно Rl; диаметр кольца равен D.

Индукционная катушка и ее применение в практике электронщика

Несмотря на широкое использование цифровых схем, таких как процессоры, программируемые логические устройства и схемы SoC, которые представляют собой комбинацию двух, иногда разработчику электроники приходится обращаться к «аналоговым» элементам, таким как: резисторы, конденсаторы или индукционные катушки. . Что интересно, хотя относительно легко включить резистор или конденсатор (с емкостью, измеряемой в пикофарадах) в структуру интегральной схемы, это очень сложно сделать с индукционной катушкой.Вот почему в примечаниях к применению многих элементов до сих пор упоминается индукционная катушка как внешний компонент, добавляемый к набору. В этой статье предлагается основная информация об индукционных катушках и описание элементов их конструкции, влияющих на их параметры.

Состав индукционной катушки

Индукционная катушка не сложна. Он состоит из сердечника и намотанных на него изолированных проводов. Сердечник может быть воздушным или сделанным из магнитных материалов.Важно, чтобы провода, намотанные вокруг сердечника, были изолированными, поэтому для изготовления катушек используется изолированный провод или они наматываются неизолированным проводом (например, так называемая серебрянная сталь), но с воздушным зазором, обеспечивающим необходимое расстояние между отдельными витками провода. Если неизолированный провод наматывать по очереди, произойдет короткое замыкание, и хотя некоторая индуктивность будет присутствовать, она определенно будет отличаться от желаемой.

На практике часто случается повреждение индукционной катушки , т.е.е. короткое замыкание между витками провода в результате пробоя изоляции, из-за превышения максимально допустимой температуры или напряжения. Поврежденную таким образом катушку необходимо перемотать или заменить на новую. Таким образом также повреждаются сетевые трансформаторы. Дальнейшее использование такого поврежденного трансформатора может привести к его перегреву, короткому замыканию в сети или даже к возгоранию трансформатора или устройства, питаемого от него.

Что такое индукционная катушка?

Индукционная катушка — это элемент, который накапливает энергию в виде магнитного поля в сердечнике, поэтому он преобразует энергию электрического тока в энергию магнитного поля или наоборот.Изменение тока, протекающего через обмотки, приводит к возникновению электродвижущей силы в направлении, которое противодействует этому изменению. Точно так же изменяющееся магнитное поле, пронизывающее сердечник, вызывает индукцию напряжения. Это можно показать с помощью следующей формулы:

В этой формуле:

  • e — обозначает электродвижущую силу (напряжение в вольтах), создаваемую катушкой,
  • dϕ / dt — изменение магнитного потока во времени,
  • di / dt — обозначает текущее изменение во времени,
  • L — обозначает параметр катушки, называемый индуктивностью; его юнит — Генри.

Легко заметить особенность, о которой говорилось ранее — электродвижущая сила e имеет направление, противоположное направлению напряжения, вызывающего протекание тока. Он противодействует быстрым изменениям тока, протекающего через катушку, и позволяет катушке выполнять одну из своих основных функций — использоваться в качестве так называемого импедера .

Индукционная катушка — основные параметры

Основными параметрами катушки являются ее индуктивность и резонансная частота. Другими словами, индуктивность — это способность катушки накапливать энергию в виде магнитного поля, вызванного протеканием тока.Индуктивность измеряется в генри и определяется как отношение временного напряжения к изменению тока во времени.

Диаграммы, показывающие ток и падение напряжения на выводе индукционной катушки. Падение наибольшее в момент включения источника питания и уменьшается со временем. Падение противодействует увеличению тока, следовательно, сила тока является самой низкой в ​​момент включения источника питания и увеличивается со временем. Часто говорят, что напряжение опережает ток на катушке

.

На рисунке выше показано, что происходит с напряжением на катушке и с током, протекающим через нее после подачи питания на ее выводы.Сплошная красная линия показывает течение тока. Как мы видим, ток увеличивается при подаче питания, пока не будет достигнуто его пиковое значение, определенное законом Ома, то есть отношение напряжения на выводах к сопротивлению катушки . Пунктирная синяя линия показывает падение напряжения на катушке. Как мы можем наблюдать, это падение является наибольшим в момент подачи питания и минимальным после того, как ток достигает своего пикового значения. Это связано с упомянутым ранее фактом, что индукционное напряжение имеет противоположное направление, чем напряжение, приложенное к клеммам.

Резонансная частота катушки обсуждается при описании параметров несовершенной катушки, поскольку она связана с паразитной емкостью.

Материал сердечника и относительная магнитная проницаемость

Очень важным элементом индукционной катушки является ее сердечник. Сердечник характеризуется типом используемого материала и связанной с ним относительной магнитной проницаемостью. Он называется «относительным», потому что определяется проницаемостью вакуума.Это безразмерное число, определяемое как отношение магнитной проницаемости (абсолютная мкм ) данной среды к проницаемости вакуума мкм 0 .

Согласно определению, магнитная проницаемость — это способность данного материала или среды изменять магнитную индукцию вместе с изменением напряженности магнитного поля. Другими словами, проницаемость — это характеристика материала или среды, описывающая его способность концентрировать линии магнитного поля.

Магнитная проницаемость — это, в соответствии с данными, опубликованными в 2002 году Комитетом по данным для науки и технологий (CODATA), скаляр, который обозначается символом μ 0 и значение которого в Международной системе единиц (SI ) составляет μ 0 = 4 · Π · 10 -7 = ок. 12,566370614 · 10 -7 [Г / м = В · с / А · м] .

Индуктивность катушки выражается по следующей формуле:

Символы, используемые в формуле, означают:

  • L — индуктивность в генри,
  • μ 0 — магнитная проницаемость вакуума,
  • μ — относительная проницаемость материала керна,
  • Z — количество витков провода в катушке,
  • S — площадь поперечного сечения змеевика,
  • л — длина змеевика.

Относительная проницаемость незагрязненного воздуха не сильно отличается от проницаемости вакуума, поэтому для упрощения в инженерной практике предполагается, что μ = 1 , а формула индуктивности воздушной катушки составляет:

Синими линиями показаны силовые линии магнитного поля, направленные в соответствии с правилом Ленца (так называемое правило правой руки).

С точки зрения магнитных свойств материалы делятся на парамагнитные материалы (материалы, которые превращаются в магниты после помещения в магнитное поле), ферромагнитные материалы (которые намагничиваются в присутствии магнитного поля) и диамагнитные материалы (ослабляющие магнитное поле). магнитное поле).Тип материала сердечника сильно влияет на параметры катушки. В идеальном вакууме нет частиц, которые могли бы повлиять на корреляцию между индуктивностью и силой магнитного поля. При этом в каждой материальной среде формула индуктивности будет изменяться в зависимости от проницаемости этой конкретной среды. В случае вакуума значение проницаемости равно 1. Для парамагнитных материалов относительная проницаемость немного выше 1, для диамагнитных материалов немного меньше 1 — различия в обоих случаях настолько малы, что в технических приложениях ими пренебрегают. и значение предполагается равным 1.

Подведем итог этому абзацу, перечислив параметры катушки, которые имеют наибольшее влияние на ее индуктивность:

  • Индуктивность катушки увеличивается на:

    • количество витков провода,
    • относительная проницаемость материала керна,
    • площадь поверхности змеевика,
    • уменьшение длины бухты.
  • Индуктивность катушки уменьшается, когда:

    • количество витков провода уменьшается,
    • уменьшается относительная проницаемость материала керна,
    • площадь поверхности уменьшается,
    • Длина катушки увеличивается.

Почему используются ядра? Во-первых, благодаря этому можно сохранять больше энергии с меньшим количеством витков, чем в случае эквивалента с воздушным сердечником. Во-вторых, это связано с механической структурой катушки — сердечник служит опорой для витков проводов и позволяет правильно установить в целевом устройстве. Третья важная причина — это концентрация и проводимость магнитного поля. В некоторых приложениях также будет важна возможность регулировать индуктивность катушки, изменяя положение сердечника относительно витков провода, например, вставляя или выталкивая его.

Неидеальная катушка

До этого момента мы обсуждали параметры идеальной катушки. Между тем, в реальных условиях обмоточный провод будет иметь некоторое сопротивление и емкость, которые будут влиять на фактические параметры катушки, которые мы еще не рассматривали.

На рисунке показана эквивалентная схема постоянного тока реальной катушки. Резистор, представляющий сопротивление провода обмотки, был подключен последовательно к виткам катушки. Ток, протекающий через катушку, вызовет не только падение напряжения, но и потерю мощности в виде тепла, что может вызвать перегрев катушки и изменить параметры сердечника.Как следствие, электрический КПД всего устройства также снижается.

Альтернативная принципиальная схема реальной катушки по постоянному току

В случае анализа переменного тока следует также учитывать паразитную емкость, создаваемую неизолированными слоями проводника, поэтому эквивалентная диаграмма, помимо резистора, включает также конденсатор, подключенный параллельно катушке. терминалы. Таким образом создается RLC-цепь, и сама катушка является индуктивной до достижения резонансной частоты и становится емкостной после ее достижения.Вот почему импеданс катушки увеличивается с увеличением резонансной частоты, достигая максимального значения в резонансе, и уменьшается после превышения частоты.

Изменение реальной катушки с индуктивной на емкостную после достижения резонансной частоты. Символы на эквивалентной принципиальной схеме: L — индуктивность, EPC — паразитная емкость, EPR — параллельное сопротивление, обозначающее потерю мощности, ESR — последовательное сопротивление, обозначающее сопротивление сердечника обмотки)

Три типа потерь мощности в индукционных катушках

При применении катушек рассматриваются три основных типа потерь мощности.О первом уже упоминалось ранее, а именно о потерях, возникающих в последовательном сопротивлении, то есть в обмоточном проводе. Эту потерю мощности следует особенно учитывать, когда ток, протекающий через катушку, имеет высокую силу тока. Это наиболее частая потеря мощности в блоках питания и цепях питания. Это вызывает перегрев катушки и, как следствие, всего устройства. Это также наиболее частая причина повреждений, так как высокая температура может вызвать повреждение изоляции и короткое замыкание катушек.

Второй тип потери мощности — это потеря мощности в сердечнике. Это результат неправильного изготовления, возникновения вихревых токов и изменения положения магнитных доменов. Такие потери являются преобладающими, когда ток, протекающий через катушку, имеет малую силу тока. Они встречаются в схемах с высокой частотой, цифровых разделителях сигналов и др. Это может привести не столько к повреждению катушки, сколько к потере уровня сигнала в чувствительных цепях.

Третий тип потерь мощности — это потеря мощности, возникающая в результате потери магнитного потока, которая может быть рассеяна механическими монтажными элементами, воздушными зазорами в сердечнике или небрежным качеством изготовления самой катушки.

Откройте для себя наше предложение

Заключительные замечания

Индукционная катушка — это простой компонент, поэтому им немного пренебрегают. Между тем, при установке электронной схемы, оснащенной дросселями или преобразователями, следует обращать особое внимание на выбранные индуктивные компоненты, включая их резонансные частоты или параметры материала сердечника. Используются разные сердечники с частотой тока в десятки и сотни герц и разные с частотой в сотни мегагерц и более.Иногда для высокочастотных сигналов достаточно ферритовой бусины.

Индукционные катушки могут изготавливаться разными способами. Обычно на сердечник наматывают от нескольких до нескольких сотен витков провода. В некоторых приложениях витки наматываются как пути на печатной плате, а иногда замыкаются в ферритовом сердечнике. В настоящее время большинство катушек, в частности дросселей, используемых в силовых цепях, изготавливаются с целью монтажа SMT. Тем не менее, технологическая гонка жесткая, и постоянно разрабатываются новые магнитные материалы, которые могут сохранять свои характеристики и ограничивать потери, несмотря на повышение температуры и т. Д.

Катушка, предназначенная для работы на низкой частоте, обычно имеет железный сердечник и большое количество витков, что делает ее относительно тяжелой. Вот почему во многих приложениях, особенно в тех, которые подвержены ударам и скачкам, способ монтажа играет важную роль. Обычно недостаточно припаять катушку — ее сердечник необходимо правильно закрепить с помощью зажима, держателя или винта. При выборе катушки или преобразователя для прибора стоит учитывать этот аспект.

Применение индукционных катушек в электронике

Катушки используются для:

  • перекрыть протекание переменного тока в цепи,
  • короткое замыкание постоянного тока (напряжения),
  • измеряет время по спаду тока,
  • построить колебательный контур,
  • строить фильтры для определенных частот,
  • пара усилительных каскадов,
  • уменьшите или увеличьте напряжение.

Некоторые применения катушек аналогичны применению конденсаторов. Как мы уже знаем, катушка ведет себя как конденсатор после превышения резонансной частоты. Однако это не означает, что эти элементы могут использоваться в схеме взаимозаменяемо.

Обязательно посмотрите видео на тему индукционных катушек и их применения в электронике:

Индукционная катушка

— обзор

12.3.3 Индукционная выпечка

Индукционный нагрев 6 — это еще один подход к прямому нагреву подложки.Распространено заблуждение, что подложка должна быть магнитной, чтобы быть кандидатом на индукционный нагрев. Для индукционного нагрева подложка должна проводить электричество. Технически он также должен сопротивляться потоку электричества или иметь сопротивление, но это верно для всех материалов, кроме сверхпроводников.

Принцип индукционного нагрева зависит от понимания того, что при протекании электричества создается магнитное поле, и обратное также верно. Там, где есть магнитное поле и проводник, будет течь электричество.

Индукционные нагреватели используют этот принцип. Нагреватель использует переменное электричество в катушке для создания магнитного поля. Когда кусок металла помещается близко (не касается) этой катушки, магнитное поле, создаваемое катушкой, взаимодействует с металлом, генерируя электрический ток. Этот ток называется вихревым током , который показан на рисунке 12.12. Сопротивление току в металле приводит к потере электроэнергии, как описано основной электрической формулой в уравнении (12.5).

Рисунок 12.12. Схема индукционного нагрева, показывающая магнитное поле, вихревые токи и переменный ток в катушке.

(12,5) P = i2R

В этом уравнении i — величина тока, R — сопротивление металла, а P — потеря мощности или полученное тепло. Уравнение также показывает, что удвоение тока увеличивает количество выделяемого тепла в четыре раза.

Поскольку в катушке используется переменный ток, магнитное поле со временем в среднем стремится к нулю.

Сила магнитного поля падает с удалением от индукционной катушки. Поскольку вихревые токи связаны с напряженностью магнитного поля, нагрев сильнее всего на поверхности. Процесс кажется простым, и в каком-то смысле это так. Однако это сложно контролировать, но им можно управлять. Скорость нагрева металла под покрытием, отверждаемым с помощью индукционного нагрева, зависит от нескольких свойств металла подложки:

1.

Удельная теплоемкость

2.

Магнитная проницаемость

3.

Удельное сопротивление.

Все эти свойства подложки зависят от температуры. Вес и форма металла основы влияют на скорость нагрева. Поскольку большая часть тепла генерируется на поверхности, ближайшей к катушке, теплопроводность подложки также будет влиять на пиковые температуры на поверхности, поскольку тепло перемещается к более холодным областям подложки.

Рисунок 12.13 показывает схему индукционного нагревателя слева и фотографию катушки, нагревающей стержень, справа. Параметры управления индукционной катушкой включают:

1.

Мощность

2.

Частота.

Существует взаимосвязь между частотой переменного тока и глубиной, на которую он проникает в подложку. Индуцированный ток внутри детали наиболее интенсивен на поверхности. Ток быстро затухает под поверхностью.Ближайший к поверхности металл нагревается быстрее, чем внутренний. «Глубина поверхностного слоя» детали описывается как глубина, на которой производится 80% тепла детали. Глубина скин-слоя уменьшается, когда уменьшается удельное сопротивление, увеличивается проницаемость или увеличивается частота. Высокие частоты 100–400 кГц обеспечивают неглубокое проникновение, что обычно идеально для отверждения поверхностных покрытий. Низкие частоты 5–30 кГц эффективны для более толстых материалов, требующих глубокого проникновения тепла, таких как изделия сложной формы с покрытием.

Магнитные материалы, такие как сталь, легче нагревать, чем немагнитные материалы, такие как алюминий. Это связано с механизмом вторичного нагрева, называемым гистерезисом . Магнитные материалы, естественно, противостоят быстро меняющимся магнитным полям внутри индукционной катушки. Возникающее в результате трение вызывает собственное дополнительное тепло — гистерезисный нагрев — в дополнение к вихретоковому нагреву. Наглядное объяснение представлено на рисунке 12.14. Считается, что металл, обладающий высоким сопротивлением, обладает высокой магнитной проницаемостью.«Проницаемость для магнитных материалов может варьироваться в диапазоне от 100 до 500; немагнитные имеют проницаемость 1.

Рисунок 12.13. Схема базовой установки оборудования для индукционного нагрева и фотография используемой индукционной катушки.

Рисунок 12.14. Гистерезис в магнитных материалах. 5 Для вращения небольших внутренних магнитов требуется энергия. Сопротивление этому подобно трению; материал нагревается.

Преимущества индукционного нагрева перед традиционным конвекционным нагревом включают:

1.

Быстрое время цикла . Тепло может выделяться непосредственно и почти мгновенно внутри субстрата, что позволяет запускать его гораздо быстрее, чем при обычном конвекционном нагреве. Время цикла выпечки можно значительно сократить.

2.

Управляемый направленный нагрев . Очень небольшие участки подложки можно нагревать, не затрагивая другие прилегающие участки или крепеж, удерживающий деталь. При точном управлении потребляемой мощностью можно медленно или быстро достичь точной требуемой температуры

3.

Повторяемость . В современных системах индукционного нагрева схема нагрева всегда одинакова для данной установки, цикл за циклом и день за днем ​​

4.

Бесконтактное нагревание . Ничто не касается детали с покрытием, когда она помещается в индукционную катушку, процесс вызывает нагрев внутри детали, фактически не касаясь ее

5.

Энергоэффективность .

Таким образом, можно купить или создать фторированное покрытие высочайшего качества, но если оно будет нанесено неправильно и правильно запечено, оно может с треском выйти из строя.

Индукционная катушка (около 1900 г.) | Музей радиации и радиоактивности

Примерно до 1920 года высокое напряжение (десятки тысяч вольт), необходимое для работы с рентгеновскими лучами, генерировалось с помощью индукционных катушек, высокочастотных катушек Тесла или статических машин. Хотя каждая из них имела свои преимущества, индукционные катушки, как правило, были предпочтительным источником питания высокого напряжения.

Постоянный ток (DC) обычно подавался на индукционную катушку от батареи элементов или аккумуляторов.Также можно было использовать переменный ток, но на заре рентгеновских лучей источник переменного тока часто был ненадежным.

Индукционная катушка состоит из двух отдельных катушек: первичной и вторичной. Внутренняя «первичная» катушка состоит из изолированного провода, намотанного на центральный железный сердечник. Внешняя «вторичная» катушка намотана вокруг первичной.

Когда ток подается на первичную катушку, во вторичной катушке индуцируется напряжение, которое больше, чем напряжение, приложенное к первичной — отношение напряжений такое же, как отношение количества витков в двух катушках.Например, если напряжение, подаваемое на первичную катушку, составляет 10 вольт, а количество витков в первичной и вторичной катушках составляет 200 и 400000 соответственно (отношение 2000 к 1), индуцированное напряжение во вторичной катушке составляет 20000 вольт. В то время как катушка увеличивала напряжение, она также уменьшала ток.

К сожалению, фактическое напряжение, создаваемое во вторичной обмотке, было трудно точно измерить. Вместо этого он был рассчитан на основе максимального расстояния, на которое искра могла прыгнуть через искровой промежуток, подключенный к клеммам вторичной катушки.Фактически, катушки были оценены по длине искры (например, 4, 8, 12 и т. Д.). Умножение искрового промежутка (в дюймах) на 10 000 и прибавление 10 000 дает приблизительное значение напряжения. Насколько «жирна» искра, давало приблизительное представление о силе тока (миллиамперы).

Загвоздка в том, что постоянный ток в первичной катушке не вызывает ток во вторичной обмотке. Для генерации тока во вторичной обмотке должно быть изменение магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой.Точнее, магнитное поле должно претерпевать повторяющиеся и быстрые изменения. Это достигается путем быстрого включения и выключения тока через первичную катушку. Устройство, которое это делает, известно как прерыватель, потому что оно прерывает ток.

Самый простой тип прерывателя, такой как на нашей индукционной катушке, был механическим. Хотя это могло быть приемлемо для легкой работы, механический прерыватель будет испытывать проблемы (например, дуговые обратные разряды) при использовании с большими токами.И было шумно. Для серьезных работ требовался ртутный прерыватель или электролитический прерыватель.

Механический прерыватель на нашей катушке работает следующим образом.

Когда ток подается на первичную обмотку, железный молоток (a) на конце контактного плеча притягивается к намагниченному железному контакту (b) на конце железного сердечника первичной обмотки. Это разрывает контакты прерывателя (c), что останавливает прохождение тока к первичной обмотке. Поскольку сердечник больше не намагничен, контактный рычаг возвращается в свое нормальное положение покоя.Когда это происходит, контакты прерывателя снова замыкаются, и ток течет к первичной обмотке. Результат — быстрое включение и выключение тока в первичной обмотке. Это повторяющееся установление и коллапс магнитного поля первичной обмотки, которое индуцирует высокое напряжение во вторичной катушке.

К 1920 году значительное количество радиологов перешло на трансформаторы. Эти устройства повышали напряжение, подаваемое переменным сетевым током (AC), который стал широко доступным и относительно надежным.К концу 1920-х трансформаторы были практически единственным источником высокого напряжения, по крайней мере, в стационарных установках, где был доступен переменный ток. Трансформаторы были проще, тише и надежнее индукционных катушек.

Также стоит упомянуть гибридный трансформатор, представленный в 1907 году Гомером Снуком: беспрерывный трансформатор. В нем использовался двигатель с питанием от постоянного (или переменного) тока для генерации переменного тока. Этот ток подавался на трансформатор, который увеличивал напряжение.Поскольку повышенный ток по-прежнему был переменным, его нужно было выпрямить. Когда он работал, он был впечатляющим — способен производить 100 кВп при 100 мА. Единственной проблемой была ненадежность ламповой трубки, используемой для выпрямления тока.

Показанный здесь пример слишком мал, чтобы его можно было использовать для рентгеновских исследований. Вместо этого он должен был быть предназначен для использования в школах, то есть для демонстрации в классе. Производитель и дата выпуска неизвестны.

Размер: основание 7 x 12 дюймов, а диаметр катушки 3 дюйма и 6 дюймов.5 дюймов в длину.

5 Основы проектирования змеевика индукционного нагрева

Конструкция индукционного змеевика может иметь большое влияние на качество деталей, эффективность процесса и производственные затраты. Как узнать, подходит ли конструкция катушки для вашей части и процесса? Вот некоторые основы работы с индукционной катушкой и пять советов по оптимизации вашей конструкции.

Как работают индукционные нагревательные змеевики

Индукционная катушка определяет, насколько эффективно и рационально нагревается заготовка. Индукционные катушки представляют собой медные проводники с водяным охлаждением, изготовленные из медных трубок, которым легко придать форму катушки для процесса индукционного нагрева.Змеевики индукционного нагрева сами по себе не нагреваются при прохождении через них воды.

Рабочие катушки различаются по сложности от простой спиральной или соленоидной катушки (состоящей из нескольких витков медной трубки, намотанной вокруг оправки) до катушки, которая прецизионно обработана из сплошной меди и спаяна.

Катушки передают энергию от источника питания к заготовке, создавая переменное электромагнитное поле из-за протекающего в них переменного тока. Переменное электромагнитное поле катушки (ЭМП) генерирует индуцированный ток (вихревой ток) в заготовке, который выделяет тепло из-за потерь I в квадрате R (потерь в сердечнике).

Ток в заготовке пропорционален силе ЭДС катушки. Эта передача энергии известна как эффект трансформатора или эффект вихревых токов.

Трансформаторы и индукционные катушки

Поскольку в катушках используется эффект трансформатора, характеристики трансформаторов могут быть полезны для понимания конструкции катушек. Индуктор аналогичен первичной обмотке трансформатора, а деталь эквивалентна вторичной обмотке трансформатора (предполагается, что она имеет один виток).

Есть две важные особенности трансформаторов, которые влияют на конструкцию катушки:

  • Эффективность связи между обмотками обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними
  • (ток в первичной обмотке трансформатора * количество витков первичной обмотки) = (ток во вторичной обмотке * количество витков вторичной обмотки)

Из-за вышеупомянутых отношений существует пять условий, которые следует учитывать при проектировании любой катушки для индукционного нагрева:

5 основных советов по проектированию змеевика индукционного нагрева


1.Более высокая плотность потока возле зоны нагрева означает, что в детали генерируется более высокий ток.

Катушка должна быть присоединена как можно ближе к детали, и поэтому максимально возможное количество линий магнитного потока пересекает заготовку в точке нагрева. Это обеспечивает максимальную передачу энергии.

2. Наибольшее количество магнитных линий в катушке соленоида направлено к центру катушки.

Линии потока сосредоточены внутри катушки, обеспечивая максимальную скорость нагрева в этом месте.

3. Геометрический центр катушки — путь слабого магнитного потока.

Поток наиболее сконцентрирован ближе к самим виткам катушки и уменьшается по мере удаления от витков.

Если бы деталь была размещена в катушке не по центру, область, более близкая к виткам катушки, пересекала бы большее количество магнитных линий и, таким образом, нагревалась бы с большей скоростью. Область детали, удаленная от медного змеевика, испытывает меньшее сцепление и будет нагреваться с меньшей скоростью.

Этот эффект более выражен при высокочастотном индукционном нагреве.

4. Магнитный центр индуктора не обязательно является геометрическим центром.

В месте соединения проводов и катушки магнитное поле слабее.

Этот эффект наиболее выражен в одновитковых катушках. По мере увеличения числа витков катушки и добавления магнитного потока от каждого витка к потоку от предыдущих витков это условие становится менее важным.

Из-за непрактичности всегда центрировать деталь в рабочей катушке, деталь должна быть немного смещена в эту область при статическом нагреве.Если возможно, деталь следует повернуть для равномерного экспонирования.

5. Катушка должна быть спроектирована так, чтобы предотвратить подавление магнитного поля.

Если противоположные стороны индуктора расположены слишком близко, катушка не имеет достаточной индуктивности, необходимой для эффективного нагрева. Помещение петли в катушку в центре компенсирует этот эффект. Затем катушка будет нагревать проводящий материал, вставленный в отверстие.


Есть вопросы по конструкции змеевика индукционного нагрева? Свяжитесь с нашими специалистами для получения персональной помощи.

Или прочтите наше подробное руководство по проектированию индукционных катушек.

Катушки индукционного нагрева | Изготовлено на заказ

Здесь показан змеевик с торцевым обогревом, в котором паяется ротор с короткозамкнутым ротором для ветряной турбины. Катушки индукционного нагрева

используются для точной и эффективной пайки соединений, сборки и разборки металлических деталей, закалки штампов, отжига металлических поверхностей для дополнительной гибкости и прочности и многого другого. Использование в сочетании с генератором, рассчитанным на правильную частоту и мощность для работы, а также с оптимизированным производственным процессом, индукторы могут улучшить качество соединений, ускорить время производства и снизить ваши затраты на электроэнергию.

Содержание:

Производство катушек индуктивности для оптимизации работы вашего оборудования

Для повышения качества деталей, скорости и эффективности производственных процессов требуются первоклассные индукторы, а также первоклассные источники питания. Точность температуры играет решающую роль, а точный нагрев возможен только при правильном сочетании геометрии индуктора, частоты, мощности и свойств магнитного поля. Это требование требует специальных знаний в области производства индукторов.

Более 22 лет компания eldec LLC производит индукционные нагревательные змеевики на заказ в Оберн-Хиллз, штат Мичиган. Наши технические специалисты хорошо разбираются в технологиях индукционного нагрева. Они знают, что результаты зависят от типа и качества используемого индуктора. Форма инструмента должна быть очень точно подогнана под деталь. По этой причине eldec считает, что каждое предложение должно начинаться с просмотра чертежей деталей или реальных деталей вместе с заказчиком для точной настройки производственного процесса с целью повышения точности и эффективности индуктора.

Гибкие возможности производства и обслуживания рулонов

После завершения процесса проверки наши технические специалисты проектируют индуктор с помощью новейшего программного обеспечения 3D CAD, физически тестируют окончательную конструкцию катушки на реальной детали и разрабатывают рецепт (настройки мощности и времени) для окончательного производственного процесса.

Еще одним важным аспектом услуг eldec является высокая степень гибкости при проектировании и производстве индукторов. Клиенты, которым ежегодно требуется определенное количество одних и тех же инструментов, могут заключить с нами рамочное соглашение.Затем eldec производит новую катушку индуктивности точно в срок, сводя к минимуму время выполнения заказа и количество запасов.

Сочетание специализированного обучения вашего персонала, помощи в разработке процессов со стороны опытных технических специалистов eldec, а также высококачественных индукторов и источников питания eldec может изменить ситуацию к лучшему на вашем предприятии. Повышение эффективности может сократить время, необходимое для производства ваших деталей от начала до конца, удовлетворить ваших клиентов, а также снизить углеродный след и расходы на коммунальные услуги.

Индукторы, изготавливаемые по индивидуальному заказу, для различных областей применения

Неважно, большие или маленькие детали, простые или сложные, eldec может изготовить индукторы специально для вашей заготовки, вашего процесса и типа металла.

  • Катушки индукционного нагрева для индукционной пайки — создание более прочных и точных соединений

  • Змеевики индукционного нагрева для термоусадки — упрощают и ускоряют сборку и разборку металлических компонентов

  • Катушки индукционного нагрева для закалки штампов — дольше сохраняют остроту и прочность штампа

  • Катушки индукционного нагрева для индукционного отжига — помогают предотвратить поломку критических деталей под напряжением

Производственные компании в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, электродвигателях, HVAC, горнодобывающей промышленности, производстве электроэнергии, добыче и распределении нефти / газа, сельском хозяйстве и секторе медицинского оборудования — и это лишь некоторые из них — полагаются на индукционные нагревательные катушки eldec.Новые возможности использования индукционной техники ограничены только вашим воображением.

Типы индукционных катушек и применение

Форма и стиль конструкции индуктора определяются, главным образом, геометрией нагреваемого участка детали, а возможности безграничны. Следующий список представляет собой руководство по основным типам индукторов и возможному использованию.

Катушки вилки

Змеевики вилки имеют два вилкообразных зубца , которые используются для нагрева двух противоположных сторон заготовки.Их часто используют для пайки. Типы катушек вилок включают:

Лицевые нагревательные змеевики

Змеевики с торцевым обогревом имеют плоскую поверхность нагрева на головке, которая нагревает заготовку только с одной стороны. Змеевик этого типа можно использовать для общего нагрева и различных пайки. Типы змеевиков лицевого нагрева включают:

Кольцо короткого замыкания Крендель Спираль Меандр

Внешний и внутренний нагревательные змеевики

Наружный и внутренний нагревательные змеевики имеют один или несколько витков трубки для головки и обычно используются для нагрева в полевых или внешних условиях на заготовках, где желаемая зона нагрева ограничена по ширине или где желаемая зона нагрева больше по ширине, чем однооборотная катушка.Типы включают:

Один поворот снаружи Многооборотный снаружи Прямоугольный снаружи

Катушки со шпилькой

Катушки индуктивности

со шпилькой спроектированы с простой нагревательной поверхностью с возвратно-поступательным движением . Они используются, когда требуемый диапазон нагрева узкий и доступен только с одной стороны. Типы включают:

Прямая шпилька Шпилька под 90 градусов Шпилька под 90 градусов

Гибкий нагревательный кабель и кабельная коробка

Гибкий нагревательный кабель и кабельные коробки

используются, когда заготовка слишком велика для обычного индуктора.Нагревательный кабель работает аналогично индукционной катушке; однако кабель наматывается на заготовку. Стоимость нагревательного кабеля зависит от длины. Стандартная длина 15 метров стоит примерно 3000 долларов. Сама кабельная коробка будет частью стоимости генератора — аналогично коаксиальному кабелю.

Если вы не уверены, какой тип змеевика лучше всего подойдет для вашего процесса, позвольте техническим специалистам eldec проанализировать ваш процесс и помочь вам решить, какие катушки использовать.

Стоимость индукционного нагревателя

Поскольку индукторы различаются по размеру и форме в зависимости от процесса, материалов и деталей, цены также меняются.Стоимость большинства катушек индукционного нагрева составляет от 1200 до 3000 долларов США. Например, небольшая катушка вилки без ламинатов или керамического покрытия может стоить около 1000 долларов; тогда как большая лицевая нагревательная катушка со сложной структурой корпуса / опоры может стоить десятки тысяч долларов. Все наши катушки изготавливаются на заказ. Ни один из них не считается стандартным ; тем не менее, eldec может производить рулоны, которые обычно используются на вашем предприятии, и доставлять их точно в срок, сводя к минимуму время выполнения заказа и уменьшая потребность в запасах.

Ведущий производитель змеевиков индукционного нагрева в США, Канаде и Мексике.

Один из наших клиентов назвал наши катушки индукторами C adillac . Пол Джордж, консультант по индукционной пайке в компании Outage Technology Solutions и бывший инструктор по пайке в подразделении GE Power, утверждает, что другие компании могут производить более дешевые катушки, но приверженность eldec качеству, технической поддержке, надежным срокам поставки и отличным рабочим отношениям не уступает нам.Мы гордимся своей репутацией «обещанная дата — дата доставки» и тем фактом, что клиенты доверяют нам защиту своей конфиденциальной информации.

Ваши детали и производственные процессы уникальны. В eldec каждый проект начинается с анализа дизайна и обсуждения процесса разработки. Наша опытная команда поможет вам выбрать индукционный источник питания и спроектировать индукционные катушки для ваших конкретных деталей и производственной среды. И, если индукционный нагрев является новым для вас и вашего персонала, обучение операторов и специалистов по техническому обслуживанию доступно на нашем заводе в Оберн-Хиллз, штат Мичиган, или на вашем предприятии.Запланируйте консультацию сегодня, чтобы начать обсуждение.

Индукционная катушка (или катушка Румкорфа)

Индукционная катушка (или катушка Румкорфа)

Индукционная катушка (или катушка Румкорфа) — одно из электрических устройств, которое имеет большое количество применений. Эта концепция занимает важное место в физике, особенно в области магнетизма. Именно из-за его важности я вдохновился написать что-нибудь об этом.

Поэтому в сегодняшней статье я хотел бы поделиться с вами интересной темой, связанной с индукционной катушкой (или катушкой Румкорфа).Я надеюсь, что после прочтения этой статьи ваши недоразумения будут прояснены и вам очень помогут.

Индукционная катушка (или катушка Румкорфа)
Что такое индукционная катушка?
Индукционная катушка — это устройство, используемое для создания высокой разности потенциалов с использованием источника с низкой разностью потенциалов (например, батареи от 2 до 6 вольт).
Принцип:

Индукционная катушка основана на принципе взаимной индукции.


Строительство:

Он состоит из следующих компонентов:

1) Первичная обмотка:

Первичная катушка состоит из нескольких толстых изолированных медных проводов, намотанных на сердечник из пучка мягких железных проводов, изолированных друг от друга для минимизации потерь из-за вихревых токов.

2) Вторичная обмотка:
вторичная обмотка состоит из ряда витков тонкой изолированной медной проволоки. Он намотан на первичную обмотку, и его концы соединены с искровым разрядником, на котором получается высокая разность потенциалов.Сопротивление вторичной обмотки очень высокое.
3) Устройство автоматического включения и выключения:

Он состоит из железного молотка H, установленного на железном сердечнике, и платиновой точки контакта P1, которая контактирует с другой аналогичной точкой контакта P2.

4) Конденсатор:

Параллельный пластинчатый конденсатор емкостью около 1 мкФ подключается к устройству автоматического включения и выключения.

5) Аккумулятор:

один конец первичной катушки соединен с одним выводом батареи, а другой конец первичной катушки соединен со вторым выводом батареи через замыкающее и замыкающее устройство.

Работа и теория индукционной катушки (или катушки Румкорфа):
Контактные точки P1 и P2 первоначально находятся в контакте друг с другом, как показано на рисунке 2. При нажатии кнопки K ток течет в первичной катушке P, и, следовательно, железный сердечник намагничивается.
Работа и теория индукционной катушки (или катушки Румкорфа)

Намагниченный железный сердечник притягивает железный молот H.Когда молот движется к сердечнику, контакт между катушками P1 и P2 разрывается. Ток в первичной катушке затухает, как только контакт разрывается и железный сердечник размагничивается. Молоток, обозначенный как H, оттягивается, и снова возникает контакт между катушками P1 и P2. Это снова замыкает цепь, и процесс повторяется.

Во время включения магнитный поток, связанный с вторичной катушкой, создает наведенную ЭДС на концах вторичной катушки. Во время разрыва магнитный поток, связанный с вторичной катушкой, индуцирует ЭДС на ее концах в противоположном направлении.

Самоиндукция первичной катушки противодействует скорости роста и спада тока через нее.

Спад тока в катушке индуктивности или первичной обмотке определяется по формуле:
.

I = I₀e (-R / L) t или dI / dt = (-R / L) I₀e (-R / L) t = (-R / L) I

R обозначает сопротивление, а L — самоиндукция первичной катушки.

Во вторичной катушке величина наведенной ЭДС пропорциональна скорости изменения тока во времени.поэтому, прежде чем создавать большую ЭДС на концах вторичной катушки, значение R должно быть очень высоким, а значение L, которое обозначает индуктивность, должно быть очень низким во время замыкания и размыкания. Сопротивление первичной цепи при размыкании намного больше, чем при замыкании, поэтому постоянная времени, обозначенная как L / R, очень мала при размыкании, чем при замыкании. Таким образом, можно сказать, что при разрыве магнитный поток спадает быстрее, чем устанавливается при изготовлении. Следовательно, наведенная ЭДС, возникающая во вторичной катушке при разрыве, намного больше, чем в замыкающем. В то же время из-за явления самоиндукции в первичной катушке создается наведенная ЭДС. Эта наведенная ЭДС сосредоточена в точках контакта P1 и P2. Во время разрыва, когда точки P1 и P2 разнесены, они обладают высоким сопротивлением потоку индуцированного тока, и, следовательно, между ними может возникать искра, но подключенный через них конденсатор поглощает энергию зарядов на концах точек контакта. и, следовательно, предотвращает искрение между точками. В противном случае искрение может привести к плавлению точек контакта.
Конденсатор служит трем целям:

1) Искра, возникающая на платиновых наконечниках, гасится конденсатором.

2) При замкнутом режиме контактов конденсатор снижает ЭДС во вторичной обмотке. 3) В режиме «обрыв» контактов увеличивает ЭДС во вторичной обмотке. Через первичную катушку конденсатор разряжается и, в свою очередь, подает ток в первичную катушку в направлении, противоположном направлению тока, подаваемого к нему батареей.Обратный ток в первичной катушке, создаваемый разрядом конденсатора, обеспечивает полное и быстрое схлопывание магнитного потока при разрыве. Таким образом, эффективность индукционной катушки для создания очень высокой ЭДС повышается при наличии конденсатора.
Использование индукционной катушки (или катушки Румкорфа):
Индукционная катушка находит широкое применение, например, в автомобилях, рентгеновских аппаратах, газоразрядных трубках и т. Д. Она используется для производства высоких напряжений.

Заключение:

В статье обсуждалась концепция индукционной катушки (или катушки Румкорфа).Он также предоставляет вам информацию, касающуюся принципа, конструкции, теории и использования индукционной катушки (или катушки Румкорфа). Надеюсь, концепция теперь вам понятна. пожалуйста, поделитесь этим в социальных сетях и помогите другим. Спасибо за визит.

индукционных блоков и фанкойлов

Индукционные блоки и фанкойлы долгое время использовались для децентрализованного кондиционирования воздуха в коммерческих зданиях. Они устанавливаются под подвесными потолками для согласования с тепловыми и охлаждающими нагрузками.

Индукционный блок — это тип кондиционера, который является элементом системы HVAC, который охлаждает и распределяет воздух по всему воздуховоду. С другой стороны, фанкойл отличается от индукционного блока HVAC тем, что представляет собой автономную систему, которая обеспечивает циркуляцию воздуха и поддерживает его течение в небольшом пространстве.

В этой статье мы рассмотрим разницу между индукционными блоками и фанкойлами, а также то, как они играют важную роль в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Индукционный блок против фанкойла

Обе системы обеспечивают циркуляцию воздуха через воздуховод здания. Оба они имеют различную конструкцию и конфигурацию в соответствии с конкретными потребностями здания.

Индукционный блок

Система HVAC с индукционным блоком позволяет воздуху распространяться по всей площади через сопла. Температура воздуха согласовывается с теплообменниками и снова подается в помещения с первичным воздухом через решетку для выпуска воздуха.

Индукционный блок потребляет большую мощность из-за повышенного давления. Это потребление энергии происходит через вентиляторы центрального вентиляционного устройства. Самая большая причина увеличения потребления энергии в индукционных установках заключается в том, что количество воздуха, необходимого для минимизации примесей, в значительной степени увеличивается. Потеря давления также увеличивается при тех же размерах воздуховода. Объем воздуха намного больше, чем у фанкойлов.

Увеличенная мощность охлаждения передается на индукционные блоки через вентиляционную установку из-за большего объема воздуха.

Фанкойл

Фанкойлы поддерживают приточную розетку, установленную в подвесном потолке. Фанкойл отвечает за направление воздуха внутрь через теневую щель в потолке. Температура регулируется непосредственно перед тем, как воздух возвращается в кабину.

Фанкойл обычно используется в таких помещениях, как гостиничные номера и коммерческие здания, для акклиматизации систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Он требует меньше места и обеспечивает более высокую мощность охлаждения и обогрева.Фанкойлы также обеспечивают эффективность на небольших площадях, например в офисных помещениях.

Энергопотребление фанкойлов обычно меньше по сравнению с индукционным агрегатом HVAC. Поскольку объем воздушного потока в системе ограничен, фанкойлы потребляют меньше энергии.

Фанкойлы также подходят для обработки воды в системе HVAC . В них не используются никакие фильтры, поэтому стоимость замены действительно невысока. Вы можете использовать регенеративные фильтры и перестать тратить огромные суммы на замену.

Замена старого индукционного блока на модернизированный индукционный блок

Существенная разница между индукционными блоками и фанкойлами заключается между энергопотреблением и инвестиционными затратами. Индукционные блоки известны более высоким потреблением энергии, в то время как фанкойлы, как правило, могут работать с низким энергопотреблением.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *