1.4. Вихревые токи

Давайте теперь вспомним, как устроен обыкновенный низкочастотный трансформатор: на замкнутом стальном магнитопроводе расположены обмотки. Все просто, поэтому и работает безотказно! Но, обратите внимание, магнитопровод силового низкочастотного трансформатора никогда не делают из сплошного куска железа, что, вне всякого сомнения, проще для изготовления, а набирают из тонких пластин. Разберемся, зачем это нужно.

Магнитное поле, порождаемое обмоткой 1, изображенной на рис. 1.9, как и полагается, возбуждает электрический ток в обмотке 2. Однако, поскольку магнитопровод трансформатора сам является проводником тока, то ток возбуждается еще и в магнитопроводе. Эти токи, которые появляются в стали магнитопровода, называют токами Фуко, или вихревыми токами. Электрическое сопротивление стали мало, поэтому вихревые токи могут достигать больших значений. Для снижения вихревых токов стальные магнитонроводы выполняют из тонких пластин или ленты. Появление ферритов и магнитодиэлектри-ков сделало возможным выполнять магнитонроводы высокочастотных трансформаторов сплошными, потому как сопротивление этих материалов в десятки раз больше сопротивления стали.

~ивх о-

7"

-ивых -О

Рис. 1.9. Вихревые токи в трансформаторе

Токи Фуко могут возникать и в обмоточных проводах. В этом случае они вытесняют полезный ток ближе к поверхности. В результате

ток высокой частоты оказывается неравномерно распределенным по сечению. Это явление называют скин-эффектом. Из-за скин-эффекта в высокочастотных цепях внутренняя часть проводников оказывается бесполезной. Мы вспомним о скин-эффекте и разберем его подробно в дальнейшем, когда будем определять потери мощности в обмоточных проводах дросселей и трансформаторов.

1.5. Магнитные материалы, их классификация, свойства и выбор

Пора читателю познакомиться с ферромагнитными материалами, используемыми в силовой импульсной технике. Основные свойства, которыми должны обла!цать эти материалы, таковы:

• материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости;

• материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит разработчику уменьшить габариты и массу электротехнических изделий;

• материал должен иметь возможно меньшие потери на перемаг-ничивание и вихревые токи;

• материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений растяжения и сжатия;

• материал должен иметь стабильные магнитные характеристики при изменении температуры, влажности с течением времени.

Обычно магнитные материалы классифицируются по трем группам:

а) проводниковые - электротехнические стали и сплавы;

б) полупроводниковые - ферриты;

в) диэлектрические - магнитодиэлектрики.

При изготовлении элекгромагнитных элементов, работающих на частотах от 50 Гц до 10 кГц, используют электротехнические стали. На частотах от 5-10 до 20-30 кГц -- электротехнические сплавы. На частотах от нескольких килогерц и выше - ферриты и магнитодиэлектрики. Но в любом случае надо помнить, что верхняя частота материала ограничена потерями в нем на гистерезис и вихревые токи.

Мы не будем рассматривать достоинства и недостатки электротехнических сталей и сплавов, поскольку первые совершенно не годятся для проектирования высокочастотных индуктивных элементов, а вторые, имея очень большую чувствительность к механическим ударам, просто непопулярны у большинства современных разработчиков источников питания малой и средней мощности. Итак, сразу переходим к материалам, на основе которых проектируются индуктивные элементы импульсных источников электропитания.

Ферриты

Это ноликристаллические многокомпонентные соединения, изготавливаемые по особой технологии, общая химическая формула которых МеРбгОз (где Me - какой-либо ферромагнетик, например, Мп, Zn, Ni). Являясь полупроводниками, ферриты обладают высокими значениями собственного электрического сопротивления, превышающего сопротивление сталей в 50 раз и более. Именно это обстоятельство позволяет применять ферриты в индуктивных элементах, работающих на высоких частотах, без опасения, что могут резко повыситься потери на вихревые токи. Наибольшее распространение в силовой технике получили марганец-цинковые ферриты марок НМ и никель-цинковые ферриты марок НН. При выборе между этими марками предпочтение, конечно, следует отдать ферритам марок НМ, поскольку они имеют более высокую температуру, при которой ферромагнетики теряют свои ферромагнитные свойства (температуру Кюри). Это обстоятельство позволяет эксплуатировать их при более высоких температурах перегрева. Потери на гистерезис у марганец-цинковых ферритов на порядок меньше, чем у никель-цинковых. Ферриты марок НМ обладают высокой стабильностью к воздействию механических напряжений. Однако электрическое сопротивление ферритов марок НМ меньше, чем ферритов марок НН, поэтому последние могут применяться для работы на более высоких частотах.

Отметим из наиболее часто встречающихся никель-цинковые ферриты марок 2000НН, ЮООНН, 600НН, 200НН, ЮОНН. Верхней границей рабочей области частот для них является 5-7 МГц. Марганце-во-цинковые нетермостабильные высокопроницаемые ферриты марок 6000НМ, 4000НМ, ЗОООНМ, 2000НМ, 1500НМ. ЮООНМ используются в частотном диапазоне до нескольких сот килогерц в интервале темпе-