Динамо-машины  Индуктивные элементы, броневая катушка 

1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

Добротность катушки индуктивности Qk=-

/1- ).

V Ср+с laquo;/

Ro( gt;-\-Rc.c.3

где Ср - резонансная емкость катушки; Со - собственная емкость катушки; Лоб - сопротивление потерь в обмотке; с.с.а- сопротивление потерь в сердечнике с зазором; W - число витков; L - индуктивность катушки. Резонансная емкость катушки

Cp=I/ laquo;2Z-.

где О) - угловая частота, Гц.

Сопротивление потерь в сердечнике с зазором

Лс.с.э = laquo; tg6с.с.3.

где (I) - угловая частота, Гц; L - индуктивность, Гн; tg бс.сэ - тангенс угла потерь сердечника с зазором.

Для сердечников с зазором без подстроечника тангенс угла потерь определяется по следующей формуле:

е \ tg6c.6.3

tg6c.6.n = 0,8-4

в [14, 121] экспериментально получены значения основных зависимостей добротности от частоты и числа витков, марки материала сердечника, величины зазора. Построены графические и числовые номограммы, которые позволяют значительно упростить теоретические расчеты.

Ориентировочные значения собственной емкости катушек индуктивности с броневыми сердечниками нз марганец-цинковых ферритов с многослойной обмоткой при соотношении doW gt;L приведены в табл. 1.15.

Ориентировочные значения отношения tg бо.б.з-Ю/Цс.в.з в зависимости от частоты броневых сердечников из ферритов марки 700НМ приведены в табл. 1.16 и в зависимости от частоты и напряженности магнитного поля для броневых сердечников нз феррита марки 1500НМЗ приведены в табл. 1.17. Предельно допустимые значения указанного отношения для сердечников тип; Б из феррита марки 2000НМ1 приближенно находят, утроив соответствующие значения для феррита 1500НМЗ.

Для сердечников с зазором и с подстроечником тангенс угла потерь определяется по следующей формуле:

, (/e/e)n(tg6n/M

tg6c.c.n= tg6c.6.n

(4/Ие)с (tg6c.c.3/f*c.6.3) +

где и - эффективная длина силовой линии магнитного поля в сердечнике Цп - магнитная проницаемость подстроечника; Ае - эффективное сечение; А коэффициент перекрытия катушкн индуктивности, \; tgfin-тангенс угла по терь в подстроечнике; tgбс.с.п - тангенс угла потерь сердечника с подстроечв ником; tg бс.б.п - тангенс угла потерь сердечника без подстроечннкаГ tg6c.6.3 -тангенс угла потерь сердечника без зазора; Цс.б.з - магнитная npoJI ницаемость сердечника без зазора; (и\Ае)к=Шп1пй\\ dn -диаметр подстроД ечиика, см; / - длина подстроечника, см.

Сопротивление катушки нидуктивности постоянному току /?с определяечД ся по следующей формуле:

/?о = 3.5.10-5 о( ) W (dBH + d )/3i

где 0(n) = I-f In n/50 In 3; 0(п)-коэффициент, учитывающий увеличение дли! обмотки провода в зависимости от числа жнл провода; л -число жил пр вода;

Таблица

Значения собственной емкости катушек индуктивности типа R из марганец-цинковых ферритов с многослойной обмо к raquo; laquo;( *)

1.15

иГпояжГноГ *б lt;-б.з/Мс.б.з в зависимости от частоты и напряженности магнитного поля для броневых сердечников из феррита марки I500HM3

Таблица 1.17

Напряженность магнитного поля Н,

0,8 2.0 4,0 8.0

Частота Ь кГц

12 16

6 9 13 17

7 II 15 19

8 13 17 2!

9.3 15 20 25

300,

4 00

450,

II 17

25 31

18 30 39

17 20 37 42

22 30 43 47

32 40 50 52

42 53 60 70

55 68 72 80

80 82 85 90

Рис. 1.48. Эквивалентная схема катушки индуктивности

Сопротивление потерь в обмотке Лов, катушек индуктивности с сердечником, имеющим зазор, рассчитывается по эмпирической формуле.

Добротность катушек, работающих в диапазоне частот до 5 кГц, находят по формуле i

Q=6,128 f ад,

где / - частота, jjfu, L - индуктивность, Ги; R - сопротивление провода постоянному току:

3.5-10-5 о( ) W(d + d ) nd

о (п)

= 1 +

50 In 3

а-V3 + 0.27C

Собственная емкость индуктивных элементов. Индуктивные элементы пред-1 ставляют собой сложную схему, состоящую из иидуктивностей, сопротивлений! и распределенных емкостей. Собственная емкость катушки индуктивности cj сердечником равна сумме емкости между сердечником и обмоткой, межвнткоЛ вых емкостей и емкости меж.ду катушкой и экраном. Величина и схема соедЛ нений этих емкостей зависит от конструкции индуктивного элемента, вида Л конструкции обмотки, конструкции экрана н ряда других факторов. Собствен-! ная емкость катушки в виде эквивалентной схемы изображаетси сосредоточен ной емкостью, которая справедлива для низкочастотного диапазона. На высоки частотах собственная емкость индуктивных элементов явлиется величиной пс стоянной.

Рассматривая эквивалентную схему катушки индуктивности, представлен ную на рнс. 1.48, где /,нач - начальная индуктивность катушки, Лэф-эффек-J тивное сопротивление катушки. Со - собственная емкость катушки, Qc - npoi водимость потерь в собственной емкости {21], можно установить влияние сс ствеиной емкости катушки на индуктивность. Значение эквивалентной индг тивности

1 -со нач Со

где СО - частота угловая.

Для схемы, показанной на рис. 1.48, эквивалентное сопротивление катун определяется по следующей формуле:

/?зф + lt;ЗсО)/-ч (1-со2/, ачСо)2

где /?зф - эффективное сопрот ивление катушки, Ом; ю - угловая частота, Лнач начальная индуктивность катушки, Ги.

Преобразуя последние два выражения, можно вывести формулу для ределення собственной емкости, сделав некоторые допущения. Из приведена выражений следует, что собственная емкость катушки, ее индуктивность и a фективное сопротивление связаны между собой. Величина собственной емкое! значительно влияет на основные параметры катушки иидуктивности: при i

увеличении увеличивается индуктивность и сопротивление. Формула имеет следующий вид:

где L i и Lk2 - индуктивность катушек на частотах fi и h\ нач - начальное шачеиие индуктивности катушки, Ги.

В технической литературе приводится множество формул эмпирического характера для расчета Со как для катушек с сердечником, так и без него. Собственная емкость катушки создается за счет существующей разности потенциалов между различными частями индуктивного элемента, существенно зависит от емкости между намоточными проводами, емкости между корпусом (экраном) и катушкой, емкости между выводами, емкости, создаваемой близкорасположенными металлическими частями. Поэтому все эмПнрические формулы справедливы только при соответствующих ограничениях и применяются для конкретных катушек определенной конструкции.

Собственная емкость катушек находится в широком диапазоне: (3.. .5)-10- ... (100 ... 150)-10- Ф. У однослойных катушек значение Со составляет несколько пикофарад, а у многослойных много больше и зависит от конструкции.

Лучшие характеристики катушек индуктивности обеспечиваются при наименьших значениях собственной емкости. Это достигается рядом технологических приемов. Пропитка и обволакивание катушек увеличивает Со на 20...00%. Уменьшить Со можно путем секционирования обмоток. При оптимальном расстоянии между секциями, равном длине намотки секции, собственная eMKOCTji катушки практически равно Со одной секции.

Температурный коэффициент индуктивности. В соответствии с определением по ГОСТ 20718-75 температурный коэффициент индуктивности есть отношение относительного изменения индуктивности к интервалу температур, вызвавшему это изменение. Данный параметр относится к числу важнейших, характеризующих качественные показатели индуктивных элементов, и представляет собой меру обратимого изменения индуктивности в результате изменения температуры при отсутствии изменения индуктивности во времени. Величина температурного коэффициента индуктивности (ТКИ) рассчитывается иа 1 С.

Температурный коэффициент индуктивности катушек с магнитными сер-.(ечниками

ТКИ =

нач1 -Lf.

нач1 (I -cu2 Z. a42Q) А7

где Lmbmi и LHa42 - начальная индуктивность катушки при температурах Ti н 2; \Т=Тг-Т\ - разность температур, deg;С; со - угловая частота.

На ТКИ оказывает существенное влияние изменение температуры, при этом изменяются линейные размеры как самой катушки, так и намоточного провода; эффективное значение длины провода и собственная емкость катушки, размеры экрана. Влияют также марки материалов, которые применяются при изготовлении каркасов катушек, экранов, сердечников и проводов.

Температурный коэффициент индуктивности катушки является сложным техническим параметром, расчеты которого осуществляются по различным математическим формулам, учитывающим температурный коэффициент проницаемости сердечника, температурный коэффициент диэлектрической постоянной материалов, применяемых для изготовления составных частей катушек, температурные коэффициенты обмоток и собственной емкости катушки; учитывается также тепловое расширение.

Температурный коэффициент магнитной проницаемости сердечника ТК laquo;вляется основным в определении ТКИ. Если рассчитывать ТКИ кольцевого

замкнутого индуктивного элемента, то в формуле коэффициент магнитной проницаемости сердечника приравнивается к температурному коэффициенту начальной магнитной проницаемости, который определяется по следующей формуле: , , .

ТК H =-(fi 2-Цн1)/(н1 Т,

где Цн1 и ц 2 - начальная магнитнаи проницаемость сердечника соответственно при температуре Т, и Тг; AT - разность температур. i Для кольцевых сердечников, изготавливаемых из магнитодиэлектриков, температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости является величиной нормируемой и приводится при рассмотрении конкретных изделий в настоящем справочнике. Для изделий из ферритов применяется относительный температурный коэффициент начальной проницаемости а,: I

1 а = ТКц /(Хн = ((2-(н1/ raquo;2

где ТК -температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости;

и - начальная магнитная проницаемость.

Температурный коэффициент магнитной проницаемости сердечника с локальным немагнитным зазором, не вносящим дополнительного рассеяния и распределенных емкостей.

ТК =ТК Иэкв/Ив.

где цэкв - оптимальная эквивалентная магнитная проницаемость сердечника В [21] приведены рекомендации по определению температурных коэффици-il

ентов диэлектрической проницаемости, теплового расширения и обмотки, кото-1

рые оцениваются добавочной величиной температурного коэффициента, равной!

{20...30)-10- laquo; 1ГС. . . Л

Геометрическая составляющая ТКИ определяется добавочной величиной,!

равной (5 ... 10) 10- raquo; irC

Увеличение ТКИ за счет изменения распределения тока по сечению провс

да выражается через добротность индуктивного элемента:

ТКИу( 1,5-2/(2) Ю-е.

За счет улучшения технологии намотки катушек тонким проводом с шаг или применения в качестве проводника топкой ленты эта составляющая TW может быть значительно уменьшена и .вдведена до (2... 5)-ilO- \tC [21, 213]

На суммарную величину ТКИ оказывает влияние температурный коэффи циент ТКИ. который определяется изменением собственной емкости за сче изменения под воздействием температуры параметров каркаса, шага намотк и диэлектрической постоянной. Последний параметр влияет наиболее сущест венно. В [33] приведена формула для вычисления рассматриваемого коэффн циента:

ТКИ ТКеСо/Ср,

где ТК е - температурный коэффициент диэлектрической проницаемости кар каса; Со-собственная емкость катушки; Ср - резонансная емкость контур в который включена катушка.

При использовании керамических каркасов с ребрами значение TKV

может быть уменьшено до 2-10 1/ deg;С.

Влияние экрана на изменение ТКИ может колебаться в значительных делах. Выявлена зависимость изменения размеров экрана и размеров кату при изменении температуры окружающей среды. По данным [21, 23] при пользовании медных и алюминиевых экранов ТКИ находится в диапазоЯ (20... 40) 10- raquo; 1/ deg;С. При общем стремлении к уменьшению ТКИ в давно случае необходимо увеличивать отношение диаметра экрана к диаметру кЯ

тушки, которое при оптимальной конструкции лежит в пределах от 2 до 3, а в качестве материала экрана необходимо использовать медненную керамику или инвар.

В [21] при определении параметров индуктивных элементов, например катушек индуктивности, большое значение имеет явление laquo;возврата raquo;, т. е. относительное необратимое изменение индуктивности катушки после воздействия температурных факторов. В число требований на катушку относительное изменение индуктивности не задается, так как предполагается, что все необратимые изменения учитываются стабильностью параметров (индуктивности) во времени. Для катушек с феррнтовымн броневыми сердечниками необратимое изменение индуктивности должно обязательно учитываться при конструировании и изготовлении. Явление laquo;возврата raquo; служит хорошим критерием качества исполнения катушек. Величина laquo;возврата raquo; зависит как от конструкции и материала сердечника, так и от конструкции н технологии изготовления катушки в целом.

Необратимое изменение индуктивности катушек РЭА составляет 0,1... 0,5%.

Временная нестабильность катушек. Относительное изменение индуктивности за определенное время, вычисляемое в процентах и обозначаемое буквой К, называется нестабильностью катушек: K = ALh/ALk. Нестабильность индуктивности зависит от изменения проницаемости сердечника, собственной емкости, взаимного расположения обмоткн и сердечника во времени под воздействием изменения механических и климатических факторов. Это положение справедливо для катушек с магнитными сердечниками. У катушек без магнитных сердечников временная нестабильность определяется только конструктивными постоянными и технологией изготовления, изложенными при рассмотрении параметров L, Q и ТКИ. В технической литературе часто встречается термин laquo;дез-аккомодация raquo;, отражающий существенное влияние на временную нестабильность катушек наряду с магнитным старением.

Дезаккомодацня представляет собой уменьшение проницаемости магнитных материалов во времени под влиянием различных факторов: электромагнитных, механических или температурных. Величина дезаккомодации обозначается буквой D и определяется по следующей формуле:

где L, - индуктивность, измеренная через 1 мин после размагничивания, Гн; 2 индуктивность, измеренная через 24 ч после размагничивания, Гн. У броневых сердечников

U-L.,

. 100%.

Международной электротехнической комиссией рекомендуется использовать наряду с величиной дезаккомодации коэффициент дезаккомадацин:

где Z., - индуктивность, измеренная через время ti после размагничивания, Гн; Ц - индуктивность, измеренная через время ii после размагничивания, Гн; Цадп - эквивалентная проницаемость сердечника.

1.5. Указания по эксплуатации

Индуктивные элементы: катушки индуктивности, контурные катушки, дроссели и другие изделия, а также сердечники и магнитопроводы из ферритов н магнитодиэлектриков, эксплуатируются в составе различной РЭА бытового и