СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Электрофизика РАССЕЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА В ФЕРРИТОВЫХ КОЛЬЦАХ

 

РАССЕЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОТОКА В ФЕРРИТОВЫХ КОЛЬЦАХ

© Кулигин В.А., Кулигина Г.А., Корнева М.В.

Исследовательская группа АНАЛИЗ;

Контакт с автором: victor_kuligin@mail.ru

http://kuligin.mylivepage.ru/file/index/)

Аннотация. Показано, что вопреки сложившемуся мнению рассеяние магнитного потока даже в ферритах с большой магнитной проницаемостью весьма велико.

___________________________________________________

Введение

В радиоаппаратуре широко используются индуктивности и трансформаторы на ферритовых кольцах. Обычно считается, что весь магнитный поток сосредоточен в сечении ферритового кольца и практически рассеяние магнитного потока невелико. Поводом к такому подходу служит то обстоятельство, что относительная магнитная проницаемость ферритов, используемых в радиотехнических устройствах, составляет величины от десятков до тысяч. В данной работе приводится описание методики измерений относительной величины потока рассеяния и результаты экспериментальных исследований.

  1. Метод измерения коэффициента магнитной связи

Исходные соотношения.

Рассмотрим идеальный трансформатор без потерь на ферритовом кольце. Один из вариантов такого трансформатора, его эквивалентная схема и обозначения приведены на рис. 1.

 

Рис. 1

Первичная и вторичная обмотки связаны общим магнитным потоком. Индуктивность первой катушки – L1, индуктивность второй - L2, взаимная индуктивность – M. Можно записать уравнения для комплексных амплитуд.

Ведем следующие обозначения

  1. Коэффициент трансформации .
  2. Коэффициент магнитной связи
.

С учетом введенных обозначений уравнения примут вид

Для идеального трансформатора справедливы следующие соотношения

Учитывая эти соотношения, мы можем привести эквивалентную схему замещения к первичной обмотке и выделить в схеме идеальный трансформатор (ИТ), как показано на нижней схеме рис. 1. Теперь можно записать следующую систему уравнений для эквивалентной схемы трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1.

Теперь необходимо привести полученные уравнения к окончательному виду.

Система уравнений полностью отвечает эквивалентной схеме трансформатора (1:1), изображенной на рис. 1. Теперь можно расшифровать удобство обозначений.

  1. Индуктивность первичной обмотки трансформатора L1.
  2. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора L’2 = L1 = L2 / k2 .
  3. Взаимная индуктивность M = L1h .
  4. Индуктивности рассеяния Ls1 = Ls2 = L1(1 - h ).

Метод измерения.

Как видно из полученных уравнений для определения параметров трансформатора (не имеющего потерь и не содержащего емкостей) достаточно знать три параметра: Идеальный коэффициент трансформации, коэффициент магнитной связи и индуктивность первичной обмотки.

Индуктивность первичной обмотки и коэффициент трансформации измеряются обычными методами. Что касается коэффициента магнитной связи, то здесь наиболее удобно использовать метод “холостого хода и короткого замыкания”.

Суть его в следующем.

  1. На холостом ходу (вторичная обмотка трансформатора разомкнута – холостой ход) измеряется индуктивность первичной обмотки Lхх.
  2. Вновь измеряется индуктивность первичной обмотки при условии, что вторичная замкнута накоротко (опыт короткого замыкания) Lкз.
  3. Нетрудно показать, что коэффициент магнитной связи можно подсчитать по формуле
.

Здесь мы привели упрощенный подход. В строгом подходе должны учитываться потери в феррите и потери в проводах. Однако при наличии потерь все соотношения остаются справедливыми.

Итак, достаточно провести два измерения, чтобы вычислить величину коэффициента магнитной связи между обмотками трансформатора.

  1. Метод измерения потока рассеяния ферритового кольца

    Изложенная выше методика измерения коэффициента магнитной связи можно с успехом использовать для измерения рассеяния магнитного потока ферритовых стержней, колец и других изделий.

    Сущность метода.

    На ферритовое кольцо наматывается тонким проводом (диаметр 0,06 мм) катушка из 10 витков. Витки накладываются полотно “в навал”, чтобы уменьшить начальный поток рассеяния магнитного поля. Измеряется индуктивность холостого хода. Затем на ферритовый тор плотно надевается короткозамкнутое кольцо, которое можно перемещать по тору (см. рис. 2). Проводятся измерения индуктивности при наличии короткозамкнутого кольца при различных угловых расстояниях этого кольца от обмотки катушки.

    Рис. 2

    Чтобы не оперировать с числовыми расстояниями (которые зависят от диаметра ферритового кольца), мы будем отсчитывать расстояние в угловых единицах (угол a ), как показано на рис. 2. .Это удобно, поскольку не связано с числовыми размерами ферритового тора. Очевидно, что минимальная магнитная связь между катушкой и к.з. витком (рис. 2) будет при угловом расстоянии, равном 1800, а максимальная – при угле, равном нулю.

  2. Результаты измерений

Измерения проводились на различных типоразмерах ферритов. При проведении измерений учитывались потери. Измерения проводились при угловом перемещении короткозамкнутого кольца на 150. Типичные результаты представлены на приведенных ниже графиках (рис. 3 и рис. 4).

 

Рис. 3                                                                Рис. 4

Из рисунков видно, что

  1. Рассеяние магнитного потока растет по мере удаления от катушки. Это очевидный результат.
  2. Более интересным и важным является увеличения рассеяния с уменьшением величины магнитной проницаемости. Например, на частоте 2 МГц (рис. 3) у ферритов с магнитной проницаемостью менее 400 магнитный поток падает на диаметрально противоположной от катушки стороне до 30 - 50 процентов.
  3. При малых расстояниях (углах) закон уменьшения потока через сечение ферритового кольца близок к экспоненциальному закону, а при больших (близких к 1800) – остается практически неизменным.
  4. Рассеяние также возрастает с увеличением частоты (рис. 4).

Все это необходимо учитывать при расчетах трансформаторов и катушек на ферромагнитных кольцах.

  1. К расчету однослойных маловитковых катушек и трансформаторов

Индуктивность. Индуктивность катушки согласно [1] можно рассчитать по формуле

(5.1)

где: m - относительная магнитная проницаемость феррита; m 0 – магнитная проницаемость вакуума; D – внешний диаметр тора; d – внутренний диаметр тора; h – высота тора; N – число витков катушки (см. рис. 5).

Эта формула справедлива, если рассеяние магнитного потока отсутствует (h = 1). Но, как было установлено, связь между витками уменьшается по мере увеличения расстояния между ними за счет рассеяния магнитного поля.

В этом случае формула (5.1) требует уточнения.

где: F(N;h 0) – поправочный множитель, N – число витков; h 0 - коэффициент магнитной связи между соседними витками.

Если катушка намотана на небольшой части ферритового тора, то поправочный множитель можно вычислить по формуле (без вывода)

Значения этой функции для различных значений N и h приведены в Таблице 1.

Таблица 1

 

N h = 0,980 h = 0,975 h = 0,850 h = 0,900 h = 0,850 h = 0,800 h = 0,750 h = 0,700
1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 0,995 0,987 0,976 0,950 0,925 0,900 0,875 0,850
3 0,991 0,978 0,956 0,913 0,871 0,831 0,792 0,753
4 0,998 0,969 0,939 0,881 0,826 0,774 0,724 0,678
5 0,984 0,961 0,923 0,852 0,785 0,724 0,669 0,616
6 0,981 0,953 0,908 0,824 0,743 0,680 0,619 0,563
7 0,977 0,945 0,893 0,798 0,714 0,641 0,576 0,518
8 0,974 0,937 0,878 0,773 0,683 0,605 0,547 0,479

Теперь остановимся на определении величины h 0. Пусть среднее расстояние между витками равно l. Это расстояние должно быть больше диаметра провода.

Определим величину углового расстояния между соседними витками

Зная относительную магнитную проницаемость феррита и график зависимости величины h от a , можно найти h 0.

Например, мы используем ферритовое кольцо марки 50ВЧ размером 12 х 6 х 4,5 для катушки, используемой на частоте 8 МГц.

Находим D = 12; d = 6; h = 4,5. Если намотка ведется проводом ПЭВ диаметром 0,3 мм виток к витку (l = 0,3 мм), то угол равен a = 2l / d = 5,7 градуса.

По графику (рис. 4) находим h 0 = 0,9. При числе витков, равном 5 поправочный множитель F(N;h 0) равен 0,852.

Однако, если намотку вести с межвитковым расстоянием, равным диаметру провода, то этот множитель окажется равным 0, 7.

Трансформатор. Очевидно, что располагать первичную и вторичную обмотки необходимо ближе друг к другу, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния. В качестве примера рассмотрим трансформатор с коэффициентом трансформации 1:1 и числом витков первичной и вторичной обмоток, равным 2. Различные варианты расположения витков показаны на рис. 5.

 

Рис. 5

Запишем выражения для индуктивности первичной обмотки, вторичной обмотки, взаимной индуктивности и коэффициента связи обмоток.

  1. Первый вариант.
  2. Второй вариант.
  3. Третий вариант.

    Сравнительная оценка коэффициентов магнитной связи приведена в Таблице 2.

    Таблица 2

     

    h 0

    0,95

    0,9

    0,85

    0,8

    0,7

    1 вариант

     

     

    h

    0,961

    0,920

    0,876

    0,829

    0,728

    2 вариант

    0,926

    0,855

    0,786

    0,720

    0,595

    3 вариант

    0,973

    0,943

    0,910

    0,873

    0,788

    Рассмотренный пример показывает, как важно выбирать правильное распределение витков первичной и вторичной обмоток для минимизации индуктивности рассеяния или увеличения магнитной связи обмоток трансформатора.

  4. Методы уменьшения рассеяния магнитного потока

Основной проблемой конструирования ВЧ трансформаторов использованием ферритовых магнитопроводов является проблема минимизации рассеяния магнитного потока. Очевидными способами являются выбор магнитопроводов с максимально возможной относительной магнитной проницаемостью. Однако на высоких частотах большие потери ограничивают использование ферритов с высоким m . Другим способом является максимально плотная намотка индуктивностей и максимально возможное сближение вторичной и первичной обмоток. Третьей – распределение витков вторичной обмотки относительно первичной таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную магнитную связь между ними.

Есть еще один способ уменьшения потока рассеяния – внешняя и внутренняя экранировка.

Внешнюю экранировку можно осуществить, помещая трансформатор в электростатический экран, как показано на рис. 6а.

Рис. 6

Однако, как показали экспериментальные исследования, более эффективным способом является “внутренняя экранировка”. Суть ее проста. Если покрыть феррит проводящим слоем, то весь ВЧ магнитный поток окажется внутри феррита. Токи Фуко не выпустят его за пределы экрана. Однако при таком способе обмотки, намотанные сверху такой системы, не смогут возбудить магнитный поток в феррите.

Выход достаточно простой. В этом экране по окружности прорезается кольцо, как показано на рис. 6б. При таком способе экран уже не представляет собой короткозамкнутый виток.

На рис. 7 показана зависимость h от угла для феррита без экрана и для феррита с экраном приведена на рис. 7. Как видно из графиков внутренний экран существенно уменьшает рассеяние магнитного потока.

Рис. 7.

Экран (металлическое покрытие поверхности феррита) можно наносить различными способами (химическим, электрохимическим и др.). При такой обработке металлизированная поверхность тора не обладает ярко выраженными абразивными свойствами. Это позволяет наматывать витки непосредственно на металлическую поверхность. Для обычной поверхности феррита такой способ непригоден. Поверхность феррита до намотки витков должна быть покрыта каким-либо материалом для защиты изоляции проводов. А это, в свою очередь, увеличивает рассеяние магнитного потока, т.е. уменьшает магнитную связь между витками.

Литература.

  1. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Энергия. Ленинград. 1970.
Дата публикации: 15 мая 2008
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.