Материал: 847

65

мощность. Применение их обусловлено преимуществом перед бронеконструкциями по меньшей индуктивности обмоток от рассеяния потоков примерно в 4 раза и меньшей проходной емкости.

Чашечные магнитопроводы применяются редко. Выполнить их можно только прессованными из порошкового ферроматериала, обмотки выполняются только круглым проводом небольшого диаметра. Преимущество этих конструкций — хорошее охлаждение магнитопровода, что важно при повышенных магнитных потерях мощности на высоких частотах. Используются чашечные магнитопроводы при частотах питающего напряжения выше 20 кГц и небольших токах в обмотках (обычно не более 5 А).

Магнитные элементы большой габаритной мощности, от 50 кВт и выше, всегда выполняются на магнитопроводах броневого или стержневого типа. При этом используется для хорошего охлаждения прием расщепления (разделения) сердечников магнитопровода и катушек на составляющие [2]. В сочетании с принудительным воздушным обдувом это обеспечивает резкое, в несколько раз, уменьшение массы и габаритов МЭ.

После выбора конструкции, нужно найти в справочной, или технической литературе, например по [1, 2, 5, 7, 9, 11, 12 и др.], оптимальные параметры относительных размеров магнитопрово-

са, минимум стоимости на единицу мощности (есть еще компро-

миссный вариант). Наилучшие значения этих параметров для

4-х конструкций МЭ приведены в табл. П.7, П.8 Приложения.

3.3 Выбор магнитного материала

Чем дешевле материал магнитопровода, чем меньше его удельные потери мощности при перемагничивании и чем выше индукция насыщения, тем лучше. Однако эти показатели противоречивы, что обусловило наличие различных по свойству и качеству ферроматериалов.

Наиболее дешевыми, с достаточно высокой индукцией насыщения (≈1,6 Тл) являются нетекстурованные электротехниче-

66

ские стали из листов горячей прокатки толщиной 0,2 0,35 мм (для стандартной частоты 50 Гц — 0,5 мм). Однако эти стали имеют большие удельные потери мощности при намагничивании, что ограничивает их применение в пределах частотдо 500 Гц.

В несколько раз меньшие потери имеют текстурованные электротехнические стали холодной прокатки. Здесь высокая магнитная проницаемость обеспечивается только в направлении проката, что создает проблемы изготовления магнитопроводов. Однако значения индукции насыщения до 1,8 Тл и уменьшение магнитных потерь обеспечивает широкое применение этих электротехнических сталей. Потери уменьшаются с уменьшением толщины материала. Чаще всего текстурованные стали представляют собой металлическую ленту толщиной 0,2; 0,15; 0,08 и 0,05 мм. Выполненные из нее магнитопроводы называют ленточными. Для штампованных магнитопроводов прокатывают листы, толщиной 0,35 мм. Текстурованные дороже сталей горячей прокатки, но могут применяться в диапазоне частот 500 5000 Гц.

При частотах более 5 кГц уменьшать потери мощности на перемагничивание приходится за счет добавок в электротехнические стали компонентов из никеля, марганца или графита. Такие ферроматериалы называют электротехническими сплавами. Имеют они только ленточное исполнение с толщиной 0,15; 0,08; 0,05 и 0,02 мм. Индукция насыщения сплавов понижается до 1 1,2 Тл и ниже, они очень чувствительны к механическим воздействиям, усложняется технология изготовления из них магнитопроводов и в целом — сплавы в несколько раз дороже текстурованных электротехнических сталей. При частотах 15 20 кГц потери магнитной мощности в сплавах вынуждают снижать рабочую индукцию магнитопроводов до 0,3 0,2 Тл, что обуславливает неэффективность применения электротехнических сплавов при частотах более 20 кГц.

Известны ферроматериалы, изготавливаемые из порошков, представляющих собой окислы железа. Из этих окислов с определенными другими добавками приготовляется мастика, которая потом прессуется по требуемой форме магнитопровода с термическим запеканием. Ферроматериал из порошков дешевле спла-

67

вов, в 1,5 1,7 раз легче, имеет очень маленькие потери мощности на перемагничивание (в пределах 10 5 Вт/кг при частоте 10 кГц, что в 10 и более раз меньше, чем у сплавов), но индукция насыщения прессованных магнитопроводов не превышает 0,35 Тл. Поскольку на высоких частотах другие ферроматериалы не могут работать с индукциями более 0,2 0,3 Тл (из-за потерь в стали, греющих магнитопровод), то применение ферромагнетиков из окислов (ферриты, оксиферы и др.) при частотах более 10 кГц не имеет альтернативы.

Ферроматериалыимеют стандартные обозначения, например: 3410 3414 — электротехнические нетекстурованные стали; 3420 3425 — электротехнические текстурованные стали; 50Н, 80НХС, (73 79)НМ — электротехнические сплавы

(пермаллой и др.); 2000НМ, 3000НМ, НМС1 и др. — порошковые ферромате-

риалы (ферриты, оксиферы и др.).

Итак, для выбора материала магнитопроводов следует руководствоваться следующими рекомендациями относительно частоты питающего напряжения:

электротехнические сплавы нетекстурованные — до 500 Гц; электротехнические стали текстурованные — 500 Гц 5 кГц; электротехнические сплавы — 5 15 кГц; прессованные ферроматериалы — 10 кГц и более.

Более конкретно указанные рекомендации представлены в Приложениях данного учебного пособия, табл. П.16 (взяты из

[9]).

Следует помнить: сплавы, особенно пермаллой, не применяют для МЭ большой мощности. С увеличением Р1 растут вес и габариты магнитопровода. Вес увеличивает стоимость, а большие габариты порождают трудности защиты от механических воздействий, к которым магнитопроводы из сплавов очень чувствительны (ухудшаются магнитные свойства). Обычно габаритная мощность МЭ на электротехнических сплавах не превышает 10 15 кВт. При Р1 = 10 кВт сечение магнитопровода для частоты 10 кГц составляет

10 20 см2, а его вес 5 7 кг.

68

После выбора материала магнитопровода нужно установить по справочной литературе показатели этого материала, необходимые для расчетов МЭ. Такими показателями являются:

а) наименование материала по стандарту, например: электротехническая сталь 3422, сплав 79НМ (пермаллой) и др.;

б) толщина материала и соответствующие ей: коэффициент заполнения сечений магнитопровода ферромагнетиком кзс — см. таб-

лицу П.3 Приложений, удельные потери мощности на перемагничивание ρсо для базовых значений частоты f10 и индукции В0 — см.

таблицу П.5 Приложений (частота f10 выбирается близкой к рабочей f1 );

в) удельный вес материала gс и коэффициент увеличения удельных потерь мощности для составных магнитопроводов кρ —

таблица П.6; г) значение коэффициентов влияния индукции γ1 и частоты

γ на потери в стали, для некоторых материалов этот коэффициент приводится в табл. П4 и П.15 Приложений.

Установленные показатели для выбранного ферроматериала удобно записать для дальнейшего использования в таблицу, как это показано в разделе 3.6.

3.4 Выбор материала обмоток

Эту задачу перед проектированием и расчетом МЭ нужно тоже решить однозначно при всей ее многовариантности. Мало выбрать сам материал проводников обмоток (медь или алюминий). Нужно еще выбрать его по изоляции (низковольтная, высоковольтная, высокотемпературная или обычная и т.д.) и по конфигурации (круглый, прямоугольный, многожильный, фольга и др.). Выбранный материал для проводников обмоток определяет с определенной достоверностью важные для расчетов МЭ: коэффициент заполнения катушки обмоток чистым (без изоляции) сечением проводников кзк, удельное сопротивление при заданной

номинальной температуре нагрева обмоток ρк и удельный вес проводникового материала gк.

69

Лучшим материалом для обмоток считается медь, но она в несколько раз дороже алюминия. В случаях, когда стоимостный показатель является для МЭ центральным, выбирают алюминиевые проводники, хотя они имеют в 1,6 раза больше удельное сопротивление току, обладают свойствами повышенной окисляемости, менее прочны, чем медные, их трудно припаивать. Из алюминия не делают проводники малых сечений и диаметров (не позволяет малая механическая прочность).

Для токов до 20 25 А проводники из меди и алюминия изготовляются круглыми с диаметром до 3 мм (сечение 7 мм2 ), для токов более 25 А выпускаются проводники с прямоугольным, или квадратным, сечением (шинка). Для токов высокой частоты, 5 кГц и выше, изготавливают многожильные провода, в том числе литцендрат, или из фольги толщиной 0,1 0,2 мм. В обоих случаях применяют только медь. Малые сечения проводников литцендрата и малая толщина ленты фольги исключают эффект вытеснения тока к поверхности токопровода, то есть не меняется его удельное сопротивление.

Электронные устройства редко работают при температуре выше 70°С, поэтому используемые в них МЭ не требуют термостойких изоляций обмоток. Для температуры нагрева до 105°С применяются изоляционные материалы класса А, например — эмали. При напряжении до 1 кВ, толщина эмалевой изоляции не превышает 0,1 мм. Проводники больших сечений, 2 мм2 и более, при намотке катушек требуют больших усилий натяжения, что может привести к механическим повреждениям тонкой эмалевой изоляции. Поэтому толстые проводники, особенно шинки, обматывают сверху эмали хлопчатобумажной оплеткой. Высоковольтная изоляция по толщине может быть от 1 до 5 мм и по сечению больше сечения проводников. Вид изоляции влияет на стоимость обмоточного материала и на коэффициент заполнения катушки чистым сечением проводников кзк. Среднерасчетные

значения этих коэффициентов приведены в таблице П.2 Приложений.

Итак, материал проводников обмоток выбирается с учетом напряжения и его частоты, температуры нагрева катушек и величины