1. Особенности работы катушки индуктивности в области звуковых частот
1.1 Общая характеристика нелинейных индуктивных элементов
Под нелинейными индуктивными элементами понимают индуктивные катушки с обмотками, намотанные на замкнутые сердечники из ферромагнит- ного материала, для которых зависимость магнитного потока в сердечнике от протекающего в обмотке тока нелинейна. Индуктивное сопротивление таких катушек, оказываемое переменному току, непостоянно и зависит от значения переменного тока. Такие элементы принято называть нелинейными индуктив- ными катушками.
Нелинейные индуктивные катушки подразделяют на управляемые и не- управляемые, но деление на инерционные и безынерционные на них не рас- пространяется, так как их нелинейность обусловлена свойствами ферромаг- нитного материала, а не тепловыми эффектами.
На электрических схемах нелинейную катушку индуктивности изобра- жают в виде замкнутого сердечника с обмоткой, как это показано на Рисунке 1.1.а, или на Рисунке 1.1.б.
Рисунок 1.1–Условно-графические изображения катушки индуктивности, содержа-
щей магнитный сердечник
23.04.02.760000. 000 ПЗ Лист
16
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
Сердечники нелинейных катушек индуктивностей на относительно низ- ких частотах делают обычно двух типов: пакетные и спиральные.
Пакетные сердечники состоят из тонких пластин ферромагнитного мате- риала кольцевой, П- или Ш-образной формы.
Спиральные сердечники изготавливают из тонкой ферромагнитной лен- нты. По форме они напоминают туго навитую часовую пружину.
Пластины пакетного и отдельные витки спирального сердечников изоли- руют друг от друга эмалевым лаком, жидким стеклом или каким-либо иным изолирующим составом и запекают. Изоляция необходима для уменьшения потерь энергии в сердечнике от вихревых токов.
На высоких частотах резко возрастают потери в листовых сердечниках, поэтому сердечники, предназначенные для работы на высоких частотах, обычно выполняют из магнитомягкого феррита.
1.2 Потери в сердечниках нелинейных индуктивных катушек, обу- словленные вихревыми токами
Если по катушке индуктивности со стальным сердечником протекает пе- ременный ток, то в сердечнике возникает переменный магнитный поток, под действием которого в листах сердечника образуются вихревые токи. На Ри- сунке 1.2 изображен один лист сердечника. Пусть магнитный поток, увеличи- ваясь, направлен вверх (вдоль листа). В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Эта ЭДС вызывает в нем ток, который называется вихревым.
23.04.02.760000. 000 ПЗ Лист
17
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
Рисунок 1.2–Лист сердечника, в котором при изменении магнитного потока наво-
дятся вихревые токи
Контур, по которому замыкается вихревой ток, изображен на Рисунке 1.2 пунктиром. Вихревые токи по закону Ленца стремятся создать поток, встреч- ный по отношению к вызвавшему их потоку.
Потери энергии в листе на вихревые токи пропорциональны квадрату наведенной в контурах листа ЭДС и обратно пропорциональны сопротивле- нию контуров. ЭДС, наводимые в контурах, по которым замыкаются вихревые токи, при заданной ширине листа b, пропорциональны ширине листа a, ампли- тудному значению индукции и частоте. В свою очередь, сопротивление кон- тура пропорционально его периметру и удельному сопротивлению. При вы- полнении условия b >> a периметр контура практически не зависит от тол- щины листа. Поэтому потери энергии на вихревые токи пропорциональны квадрату амплитудного значения индукции, квадрату частоты и квадрату тол- щины листа.
Уменьшить потери в листовом сердечнике на вихревые токи можно двумя путями: 1) изготовлением сердечника из тонких, изолированных друг от друга листов; 2) добавлением в ферромагнитный материал примесей, увеличиваю- щих его удельное сопротивление.
При рабочей частоте 50 Гц толщина листов обычно имеет размер 0,35 – 0,5 мм; при высоких частотах – до 0,005 мм.
Кроме потерь от вихревых токов в сердечнике также существуют потери, обусловленные гистерезисом и магнитной вязкостью.
1.3 Потери в ферромагнитном сердечнике, обусловленные гистере- зисом
Как известно, ферромагнитным материалам свойственно явление гисте- резиса, которое вызвано отставанием изменения магнитной индукции от изме-
23.04.02.760000. 000 ПЗ Лист
18
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
нения напряженности магнитного поля. Площадь гистерезисной петли в коор- динатах B, H (где B – магнитная индукция, H – напряженность магнитного поля), снятая при достаточно медленном изменении магнитного поля во вре- мени (когда вихревые токи практически отсутствуют), характеризует энергию, выделяющуюся в единице объема ферромагнитного материала за один период протекающего в нем переменного тока (за одно перемагничивание). Потери в сердечнике, обусловленные гистерезисом, пропорциональны объему сердеч- ника, первой степени рабочей частоты и площади гистерезисной петли. От толщины листов гистерезисные потери не зависят.
Гистерезисные петли при достаточно быстром изменении магнитного поля во времени называют динамическими. Динамические петли шире соот- ветствующих статических за счет вихревых токов и магнитной вязкости.
Степень отличие динамической петли от соответствующей ей статиче- ской зависит от скорости перемагничивания (от частоты), удельного электри- ческого сопротивления материала, толщины листов, температуры и наличия в магнитном потоке высших гармоник.
1.4 Схема замещения нелинейной катушки индуктивности
Как известно, на низких частотах катушку индуктивности можно пред- ставить в виде последовательно соединенных сопротивления r – представляю- щего собой сопротивление обмоток, которое обуславливает активные потери катушки при протекании по нее переменного тока, и индуктивности L, обу- славливающую ее реактивное (индуктивное) сопротивление XL = 2?fL, изме- няющемуся пропорционально с частотой протекающего через нее тока.
Однако при повышении частоты тока, на котором работает катушка, такая схема замещения перестает давать адекватное представление об электриче- ских свойствах катушки индуктивности. Как известно из экспериментально полученных АЧХ катушек индуктивностей, в области килогерц начинается за- метное изменение ее сопротивления, которое уже не описывается классиче- ской схемой замещения r + j?L.
23.04.02.760000. 000 ПЗ Лист
19
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
В схеме замещения, учитывающей потери, связанные с гистерезисом, па- раллельно индуктивности L включают сопротивление Rk, потери в котором имитируют потери электроэнергии в сердечнике на гистерезис и вихревые токи. При этом сопротивление обмоток катушки r также включено последова- тельно катушке. Схема замещения катушки индуктивности, учитывающая ги- стерезисные потери и потери на вихревые токи, приведена на Рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Схема замещения катушки индуктивности, учитывающая гистерезис- ные потери и потери на вихревые токи
АЧХ для катушки с ферромагнитным сердечником с различными количе- ствами витков приведены на Рисунке 1.4.
Весь текст будет доступен после покупки
