Применение кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Применение кольцевых сердечников с зазором
фирмы Ferroxcube
Николай САГАЙДАКОВ
cni@dialelectrolux. ru
В данной статье рассматриваются вопросы применения ферритовых сердечников с зазором. Данные компоненты традиционно используются для изготовления дросселей постоянного тока, накопительных дросселей, трансформаторов для однотактных обратноходовых преобразователей и других подобных изделий.
Для изготовления силовых индуктивных элементов наиболее часто применяются сердечники с распределенным зазором на основе железа и порошковых материалов. Приведем состав некоторых из них.
• Трансформаторное железо имеет самую большую индукцию насыщения.
— Состав: железо (Fe) = 100%.
— Проницаемость: до 90.
• Molibdenum Permalloy Powder (MPP) — порошковый прессованный материал на основе пермаллоя с примесью молибдена. По удельным потерям он наиболее близок к ферритам.
— Состав: никель (Ni) = 80%, железо (Fe) с небольшой примесью молибдена (Mo) = 20%.
— Проницаемость: до 550 (за счет высокой собственной проницаемости пермаллоя).
• High Flux имеет самую большую индукцию насыщения из всех сплавов.
— Состав: никель (Ni) = 50%, железо (Fe) = 50%.
— Проницаемость: до 160.
Главной причиной невозможности применения тороидальных сердечников из феррита без зазора в силовых индуктивных элементах (СИЭ) является низкое значение постоянного тока насыщения. Для пояснения вышесказанного рассмотрим пример.
Исходные данные: индуктивность дросселя 20 мкГн, ток 1 А.
Таблица 1. Основные параметры кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube
В (мТл) при Потери в сердечнике (Вт) при
Тип сердечника H = 1200 А/м f = 10 кГц T = 100 °C f = 100 кГц В = 100 мТл Т = 100 °C f = 100 кГц В = 200 мТл Т = 100 °С
TN13/7. 5/5 & lt-0,033 & lt-0,22
TN17/11/6.4 & lt-0,070 & lt- 0,47
TN20/10/6.4 & lt-400 & lt-0,12 & lt-0,80
TN23/14/7.5 & lt-0,16 & lt-1,1
TN26/15/11 & lt-0,33 & lt-2,2
Определим типоразмер ферритового сердечника без зазора, обеспечивающий работу в заданных условиях.
Максимальная индукция для ферритового сердечника определяется формулой:
В [мТл] = 1000хц0хцех (1х^/1е, (1)
где ц0 — абсолютная магнитная проницаемость вакуума 1,257×10−3 мкГн/мм- це — относительная магнитная проницаемость сердечника- I — ток через обмотку (А) — N — число витков- 1е — средняя длина магнитной линии (мм).
После преобразования формулы (1) получим выражение для определения средней длины магнитной линии, что необходимо для выбора сердечника:
1е [мм] = 1000хц0хцех (1хЫ)/В. (2)
Здесь размерность использованных величин такая же, как и в формуле (1).
Принимаем, что N = 5 витков, В = 300 мТл (усредненное значение максимальной индукции для силовых ферритов), це = 2200 (эффективная проницаемость ферритовых кольцевых сердечников из материала N87). Используя формулу (2), получаем значение средней длины магнитной линии 1е = 46 090 мм, что явно превышает разумные значения. Выход в данном случае один — уменьшение относительной проницаемости сердечника с помощью воздушного зазора. Если
в разъемных сердечниках воздушный зазор можно получить с помощью прокладки соответствующей толщины между отдельными частями сердечника, то в кольцевом фер-ритовом необходимо делать пропил с помощью специального технологического оборудования.
Параметры стандартных кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube
Фирма Ferroxcube представляет линейку кольцевых ферритовых сердечников с зазором (табл. 1, 2, 3, рис. 1).
Таблица 2. Габаритные размеры кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube
Размеры, мм Эффективные параметры сердечника
Тип сердечника Внешний диаметр D, мм Внутренний диаметр d, мм Высота H, мм Постоянная сердечника? і/A, мм-1 Эффективный объем Ve, мм3 Эффективная длина le, мм Эффективная площадь сечения Ае, мм2 Масса, Напряжение изоляции, В
TN13/7. 5/5 13±0,35 6,6±0,35 5,4±0,3 2,46 368 30,1 12,2 «1,8 1500
TN17/11/6.4 17,5±0,5 9,9±0,5 6,85±0,35 2,24 787 42,0 18,7 «3,7 1500
TN20/10/6.4 20,6±0,6 9,2±0,4 6,85±0,35 1,43 1330 43,6 30,5 «6,9 2000
TN23/14/7.5 24,0±0,7 13,0±0,6 8,1±0,45 1,69 1845 55,8 33,1 «9,0 2000
TN26/15/11 26,8±0,7 13,5±0,6 11,6±0,5 0,982 3700 60,1 61,5 «19 2000
Ампер х Витки
Рис. 3. Графики функции АL = f (^) для стандартных типов сердечников с зазором TN13/5−3C20
Таблица 3. Эффективная проницаемость кольцевых сердечников с зазором в зависимости от типоразмера и ширины зазора
Тип сердечника А^ нГн Эффективная проницаемость
TN13/5−3C20-A40 40±15% 90
TN13/5−3C20-A56 56±15% 125
TN13/5−3C20-A67 67±15% 147
TN13/5−3C20-A72 72±15% 160
TN13/5−3C20-A79 79±15% 173
TN20/6. 4−3C20-A68 68±15% 125
TN20/6. 4−3C20-A81 81±15% 147
TN20/6. 4−3C20-A87 87±15% 160
TN20/6. 4−3C20-A96 96±15% 173
TN20/6. 4−3C20-A109 109±15% 200
TN26/11−3C20-A113 113±15% 90
TN26/11−3C20-A157 157±15% 125
TN26/11−3C20-A185 185±15% 147
TN26/11−3C20-A201 201±15% 160
TN26/11−3C20-A217 217±15% 173
TN17/6. 4−3C20-A52 52±15% 90
TN17/6. 4−3C20-A72 72±15% 125
TN17/6. 4−3C20-A88 88±15% 147
TN17/6. 4−3C20-A92 92±15% 160
TN17/6. 4−3C20-A104 104±15% 173
TN23/7. 5−3C20-A65 65±15% 90
TN23/7. 5−3C20-A90 90±15% 125
TN23/7. 5−3C20-A106 106±15% 147
TN23/7. 5−3C20-A115 115±15% 160
TN23/7. 5−3C20-A124 124±15% 173
Рис. 2. Функциональная схема однотактного прямоходового DC/DC-преобразователя
По аналогии с примером, рассмотренным выше, рассчитаем выходной дроссель одно-тактного прямоходового БСЮС-преобразо-вателя (рис. 2).
Задача 1: выбрать сердечник с зазором для выходного дросселя Ь& gt-20 мкГн, уменьшение индуктивности при токе 1Ь = 1 А должно быть не более 10%.
Выбор начинаем с минимального по размерам сердечника и минимального значения АЬ.
ТШ3/5−3С20-А40 п = ¦^(Ь/АЬ) = V (20 000/40) = 22,36-& gt-
-& gt-23 витка-п-1 = 23 А-виток.
Кривые, приведенные на рис. 3, подтверждают, что сердечник не насыщается, изменение индуктивности составляет менее 10%, что удовлетворяет заданным условиям.
Определим, какой максимальный ток может протекать через обмотку дросселя при заданном количестве витков и изменении индуктивности:
• по графику определим число ампер-витков (70), обеспечивающее снижение индуктивности не более 10%.
• максимальный ток Imax = 70/IL = 70/23"3 А.
Так как получился достаточно большой запас по току, можно уменьшить число витков за счет увеличения параметра сердечника А1 (уменьшения зазора).
Выбираем сердечник TN13/3−3C20-A79, у которого AL = 79 нГн.
n = V (L/AL) = V (20 000/79) = 1З, 9-& gt-
-& gt-16 витков-n-I = 16 А-виток.
Кривые, приведенные на рис. 3, подтверждают, что сердечник не насыщается, изменение индуктивности составляет менее 10%, что удовлетворяет заданным условиям.
Сравним среднюю длину магнитной линии для кольцевого сердечника с зазором и без зазора:
• с зазором le = 30,1 мм-
• без зазора le = 46 090 мм-
Далее сравним варианты решения одной и той же задачи расчета СИЭ на материале с распределенным зазором. Для этого используем кольцевые сердечники из материала Kool Mu фирмы Magnetics.
Задача 2: выбрать сердечник с зазором для выходного дросселя L& gt-20 мкГн, при этом уменьшение индуктивности при токе 1ь = 1 А должно быть не более 10%.
Начнем с сердечника, наиболее соответствующего ТШ3/5−3С20 по габаритным размерам — 77 050, проницаемость материала 125, Ль = 56 нГн, 1е = 31,2 мм, габаритные размеры 12,7×7,62×4,75 (внешний диаметр х внутренний диаметр х высота).
п = ^/Аь) = V (20 000/56) =
= 18,89-& gt-19 витков
Находим напряженность магнитного поля по формуле
Н [А/м] = (1хп)/1е, (3)
Н = (1×19)/(31,2×10−3) =
= 608,97 А/м = 7,65 Э.
По графику, приведенному на рис. 4, находим уменьшение индуктивности при заданном токе: изменение составляет примерно 8%, что удовлетворяет заданным условиям.
постоянным током
Теперь проверим, можно ли использовать сердечник из материала с распределенным зазором меньших размеров.
Используем сердечник 77 130 со следующими параметрами: проницаемость материала 125, АЬ = 53 нГн, 1е = 26,9 мм, габаритные размеры 11,2×6,35×3,96 (внешний диаметр х внутренний диаметр х высота).
п = '-^(Ь/АЬ) = V (20 000/53) =
= 19,4−20 витков.
По формуле (3) находим напряженность магнитного поля:
Н = 743,49 А/м = 9,34 Э.
По графику на рис. 4 определяем, что уменьшение индуктивности составляет примерно 10%.
Используем сердечник меньшего размера 77 040 с параметрами: проницаемость материала 125, АЬ = 66 нГн, 1е = 23,8 мм, габаритные размеры 10,2×5,08×3,96 (внешний диаметр х внутренний диаметр х высота).
п = V (L/AL) = V (20 000/66) =
= 17,4−18 витков.
По формуле (3) находим напряженность магнитного поля
Н = 756,3 А/м = 9,5 Э.
По графику на рис. 4 определяем, что уменьшение индуктивности составляет примерно 12%, что превышает заданные пределы.
Определим, каким проводом можно намотать обмотку в один слой на сердечниках TN13/5−3C20-A79 и 77 130, исходя из допустимого значения плотности тока.
Диаметр провода по изоляции Бпр из рассчитывается по формуле:
°пр. из = кхВ х8т (360/п)/
/[2х (1+81п (360/п)], (4)
где к = 0,8… 0,82.
Диаметр провода по меди Опр:
Опр * (Опр. из- 0,025)/1,079. (5)
Для сердечника TN13/5−3C20-A79 по формулам (4) и (5) получаем:
Бпрх0,63 мм ^ ^ из стандартного ряда 0,63 мм, Бсеч = 0,3116 мм².
Для сердечника 77 130 по формулам (4) и (5) получаем:
Бпрх0,59 мм^ ^ из стандартного ряда 0,56 мм, Бсеч = 0,2462 мм².
Вычислим плотность тока в обмотках СИЭ:
J [А/мм2] = 1/Бсеч.
Для TN13/5−3C20-A79 J = 3,2 А/ мм2.
Для 77 130 J = 4,1 А/мм2, следовательно, обмотка на сердечнике 77 130 будет больше нагреваться.
Заключение
Приведенные выше соображения и расчеты позволяют сделать вывод, что для приложений, где габаритные размеры играют определяющую роль, лучше всего использовать материалы сердечников с распределенным зазором. В тех случаях, когда главным критерием выбора являются малые потери и низкая себестоимость СИЭ, лучше использовать кольцевые сердечники с зазором фирмы Ferroxcube. ¦
Литература
1. Gapped ferrite toroids core for power inductors. Technical note. w w w. ferroxcube. c om
2. 2006a Powder Core Data Magnetics Сatalogue. w ww. mag-inc.c om
3. Кузнецов А. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания // Схемотехника. 2000. № 1.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой