Введение
Объект, используемый для направления и удержания магнитных полей.
Магнитное ядро – это элемент из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, используемый для направления и удержания магнитных полей в электрических, электромеханических и магнитных устройствах, таких как электромагниты, трансформаторы, электродвигатели, генераторы, индуктивности, громкоговорители, магнитные головки записи и магнитные сборки. Оно изготавливается из ферромагнитных металлов, таких как железо, или ферримагнитных соединений, таких как ферриты. Высокая проницаемость по сравнению с окружающим воздухом приводит к концентрации линий магнитного поля в материале ядра. Магнитное поле часто создается током, протекающим по катушке провода, обмотанной вокруг ядра. Использование магнитного ядра может увеличить силу магнитного поля в электромагнитной катушке в несколько сотен раз по сравнению с тем, какой она была бы без ядра. Однако магнитные ядра имеют сопутствующие эффекты, которые необходимо учитывать. В устройствах переменного тока они вызывают потери энергии, называемые потерями в ядре, из-за гистерезиса и вихревых токов в таких областях применения, как трансформаторы и индуктивности. Для изготовления ядер обычно используются "мягкие" магнитные материалы с низкой коэрцитивной силой и гистерезисом, такие как кремниевая сталь или феррит.
the computer memory
A magnetic core is a piece of magnetic material with a high magnetic permeability used to confine and guide magnetic fields in electrical, electromechanical and magnetic devices such as electromagnets, transformers, electric motors, generators, inductors, loudspeakers, magnetic recording heads, and magnetic assemblies. It is made of ferromagnetic metal such as iron, or ferrimagnetic compounds such as ferrites. The high permeability, relative to the surrounding air, causes the magnetic field lines to be concentrated in the core material. The magnetic field is often created by a current carrying coil of wire around the core. The use of a magnetic core can increase the strength of magnetic field in an electromagnetic coil by a factor of several hundred times what it would be without the core. However, magnetic cores have side effects which must be taken into account. In alternating current (AC) devices they cause energy losses, called core losses, due to hysteresis and eddy currents in applications such as transformers and inductors. "Soft" magnetic materials with low coercivity and hysteresis, such as silicon steel, or ferrite, are usually used in cores.
Материалы ядра
Электрический ток, протекающий по проволоке, свернутой в катушку, создает магнитное поле, проходящее через центр катушки, в соответствии с законом Ампера. Катушки широко используются в электронных компонентах, таких как электромагниты, индукторы, трансформаторы, электродвигатели и генераторы. Катушка без магнитного сердечника называется катушкой с воздушным сердечником. Добавление куска ферромагнитного или ферримагнитного материала в центр катушки может увеличить магнитное поле в сотни или тысячи раз; это называется магнитным сердечником. Магнитное поле провода проникает в материал сердечника, намагничивая его, так что сильное магнитное поле сердечника усиливает поле, созданное проводом. Степень усиления магнитного поля сердечником зависит от магнитной проницаемости материала сердечника. Поскольку такие побочные эффекты, как вихревые токи и гистерезис, могут приводить к частотно-зависимым потерям энергии, для катушек, работающих на разных частотах, используются различные материалы сердечников. В некоторых случаях потери нежелательны, а при очень сильных полях может возникнуть насыщение, поэтому используется катушка с воздушным сердечником. Может также использоваться каркас – кусок материала, например пластика или композита, который сам по себе может не обладать значительной магнитной проницаемостью, но служит для фиксации витков провода.
Мягкое железо
"Мягкое" (отжигаемое) железо используется в магнитных устройствах, электромагнитах постоянного тока и в некоторых электродвигателях; оно способно создавать концентрированное магнитное поле, интенсивность которого может быть в 50 000 раз выше, чем у воздушного зазора. Железо предпочтительно для изготовления магнитных сердечников, поскольку оно выдерживает высокие уровни магнитной индукции без насыщения (до 2,16 тесла при комнатной температуре). Отжигаемое железо используется из-за его низкой коэрцитивной силы, в отличие от "твердого" железа, что позволяет ему не сохранять намагниченность после снятия поля – это часто важно в приложениях, где требуется многократное включение и выключение магнитного поля. Вследствие электрической проводимости металла, при использовании цельного металлического сердечника в устройствах переменного тока, таких как трансформаторы и индукторы, изменяющееся магнитное поле индуцирует в нем значительные вихревые токи – замкнутые контуры электрического тока, лежащие в плоскостях, перпендикулярных направлению поля. Протекающий по сопротивлению металла ток нагревает его за счет джоулева нагрева, вызывая существенные потери энергии. Поэтому цельные железные сердечники не применяются в трансформаторах и индукторах, их заменяют на сердечники из ламинированной или порошковой стали, либо непроводящие сердечники, например, из феррита.
Ламинация
Ламинированные магнитные сердечники изготавливаются из стопок тонких железных листов, покрытых изолирующим слоем, ориентированных максимально параллельно линиям магнитного потока. Изолирующие слои служат препятствием для вихревых токов, поэтому вихревые токи могут протекать только в узких петлях внутри толщины каждой отдельной ламинации. Поскольку ток в петле вихревого тока пропорционален площади этой петли, это предотвращает протекание большей части тока, снижая вихревые токи до очень низкого уровня. Так как рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока, разделение большого сердечника на узкие ламинации значительно уменьшает потери мощности. Следовательно, чем тоньше ламинации, тем ниже потери на вихревые токи.
Кремниевые сплавы
Небольшое добавление кремния к железу (около 3%) приводит к резкому увеличению удельного электрического сопротивления металла, вплоть до четырехкратного увеличения. Более высокое удельное электрическое сопротивление снижает вихревые токи, поэтому кремниевая сталь используется в магнитопроводах трансформаторов. Дальнейшее увеличение концентрации кремния ухудшает механические свойства стали, вызывая трудности при прокатке из-за ее хрупкости. Из двух типов кремниевой стали – ориентированной на зерно (GO) и неориентированной на зерно (GNO) – GO наиболее предпочтительна для магнитных сердечников. Она анизотропна и обладает лучшими магнитными свойствами, чем GNO, в одном направлении. Поскольку магнитное поле в сердечниках индукторов и трансформаторов всегда направлено в одном направлении, использование зерноориентированной стали в предпочтительной ориентации является преимуществом. Вращающиеся машины, где направление магнитного поля может изменяться, не получают преимуществ от использования зерноориентированной стали.
Специальные сплавы
Существует семейство специализированных сплавов, предназначенных для применения в магнитных сердечниках. К ним относятся му-металл, пермалой и супермалой. Их можно изготавливать в виде штамповок или длинных лент для намотки сердечников. Некоторые сплавы, например, Сендаст, производятся в виде порошка и спекаются для придания формы. Для достижения оптимальных магнитных свойств многие материалы требуют тщательной термической обработки и теряют эти свойства при механических повреждениях или перегреве. Например, проницаемость му-металла увеличивается примерно в 40 раз после отжига в атмосфере водорода в магнитном поле; последующие резкие изгибы нарушают ориентацию его зерен, что приводит к локальной потере проницаемости; исходные свойства можно восстановить, повторив процедуру отжига.
Стеклянный металл
Аморфный металл — это разновидность сплавов (например, Metglas), обладающих нека кристаллической или стеклообразной структурой. Они применяются для создания высокоэффективных трансформаторов. Эти материалы обладают высокой восприимчивостью к магнитным полям, что обеспечивает низкие гистерезисные потери, а также могут иметь пониженную электропроводность для снижения потерь на вихревые токи. Электроэнергетические компании в настоящее время активно внедряют эти трансформаторы при новых установках. Высокая механическая прочность и коррозионная стойкость также являются типичными свойствами металлических стёкол, что положительно сказывается на их применении.
Металлопорошок
Порошковые сердечники состоят из металлических зерен, смешанных с подходящим органическим или неорганическим связующим веществом, и прессованных до требуемой плотности. Более высокая плотность достигается при большем давлении и меньшем количестве связующего. Сердечники с более высокой плотностью обладают большей проницаемостью, но меньшим сопротивлением и, следовательно, большими потерями из-за вихревых токов. Более мелкие частицы позволяют работать на более высоких частотах, поскольку вихревые токи в основном ограничены внутри отдельных зерен. Покрытие частиц изолирующим слоем или их разделение тонким слоем связующего снижает потери на вихревые токи. Наличие более крупных частиц может ухудшить высокочастотные характеристики. Проницаемость зависит от расстояния между зернами, которые формируют распределенный воздушный зазор; чем меньше зазор, тем выше проницаемость и меньше мягкая магнитная насыщенность. Из-за большой разницы в плотности даже небольшое количество связующего вещества по весу может значительно увеличить объем и, следовательно, межзерновое расстояние. Материалы с низкой проницаемостью лучше подходят для более высоких частот благодаря балансу потерь в сердечнике и обмотке. Поверхность частиц часто окисляется и покрывается фосфатным слоем для обеспечения их взаимной электрической изоляции.
Железо
Железо в порошке – самый дешевый материал. Оно имеет более высокие потери в сердечнике, чем более совершенные сплавы, но это можно компенсировать увеличением размеров сердечника; это целесообразно в тех случаях, когда стоимость важнее массы и габаритов. Насыщенный магнитный поток составляет примерно 1–1,5 Тесла. Относительно высокий гистерезис и потери на вихревые токи, работа ограничена более низкими частотами (приблизительно ниже 100 кГц). Применяется в индукторах для накопления энергии, дросселях выходного постоянного тока, дросселях дифференциального режима, дросселях для триаковых регуляторов, дросселях для коррекции коэффициента мощности, резонансных индукторах, а также в импульсных и flyback-трансформаторах. Сердечники из железного порошка чаще всего доступны в виде тороидов. Иногда в виде E, EI, стержней или блоков, которые в основном используются в мощных и сильноточных компонентах. Карбонильное железо значительно дороже железа, восстановленного водородом.
Карбонил железа
Порошкообразные сердечники из карбонильного железа, высокочистого железа, обладают высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температур и уровней магнитной индукции, с превосходными коэффициентами качества (Q) в диапазоне от 50 кГц до 200 МГц. Порошки карбонильного железа по сути состоят из микрометровых сфер железа, покрытых тонким слоем электрической изоляции. Это эквивалентно микроскопической шихтованной магнитной цепи (см. кремниевую сталь выше), что снижает вихревые токи, особенно на очень высоких частотах. Карбонильное железо имеет меньшие потери, чем железо, восстановленное водородом, но также и меньшую проницаемость. Распространенное применение магнитных сердечников на основе карбонильного железа – в высокочастотных и широкополосных индуктивностях и трансформаторах, особенно большей мощности. Карбонильные железные сердечники часто называют "RF-сердечниками". Изначально частицы имеют структуру "типа E" с луковичной оболочкой, состоящей из концентрических слоев, разделенных зазорами. Они содержат значительное количество углерода и ведут себя так, как будто их физические размеры меньше, чем кажутся. Частицы "типа C" можно получить путем нагрева частиц типа E в водородной атмосфере при 400 °C в течение продолжительного времени, что приводит к получению порошков, не содержащих углерода. Этот материал был впервые представлен в 1940 году и использовался в нагрузочных катушках для компенсации емкости в длинных телефонных линиях. Он пригоден для использования в диапазоне частот до 200 кГц – 1 МГц, в зависимости от производителя.
Высокопоточные (Ni-Fe)
Сплав, состоящий примерно из 50–50% никеля и железа. Обладает высокой способностью к накоплению энергии, плотность потока насыщения составляет около 1,5 Тесла. Остаточная плотность потока близка к нулю. Применяется в устройствах с высоким постоянным током смещения (фильтры сетевых помех или индуктивности в импульсных регуляторах) или там, где требуется низкая остаточная плотность потока (например, импульсные и преобразовательные трансформаторы, высокая насыщенность подходит для однополярного управления), особенно в условиях ограниченного пространства. Материал пригоден для использования на частотах до 200 кГц.
Потеря ядра
Когда сердечник подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, как это происходит в устройствах, использующих переменный ток, таких как трансформаторы, индукторы, двигатели переменного тока и генераторы, часть мощности, которая должна передаваться через устройство в идеальных условиях, теряется в сердечнике, рассеиваясь в виде тепла и иногда шума. Потери в сердечнике обычно называют потерями в железе, в отличие от потерь в обмотках (потерь меди). Потери в железе обычно описываются как состоящие из трех категорий:
Аномальные потери
По определению, эта категория включает в себя любые потери, помимо потерь на вихревые токи и гистерезис. Это также можно описать как уширение петли гистерезиса с ростом частоты. Физические механизмы аномальных потерь включают локализованные эффекты вихревых токов вблизи движущихся доменных стенок.
Коэффициенты Штейнметца
Потери в магнитных материалах могут быть охарактеризованы коэффициентами Штейнметца, однако они не учитывают изменение температуры. Производители материалов предоставляют данные о потерях в сердечнике в табличной и графической форме для реальных условий эксплуатации.