Применение кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube

Для изготовления силовых индуктивных элементов наиболее часто применяются сердечники с распределенным зазором на основе железа и порошковых материалов. Приведем состав некоторых из них.

• Трансформаторное железо имеет самую большую индукцию насыщения.
  • Состав: железо (Fe) = 100%.
  • Проницаемость: до 90.
• Molibdenum Permalloy Powder (MPP) — порошковый прессованный материал на основе пермаллоя с примесью молибдена. По удельным потерям он наиболее близок к ферритам.
  • Состав: никель (Ni) = 80%, железо (Fe) c небольшой примесью молибдена (Mo) = 20%.
  • Проницаемость: до 550 (за счет высокой собственной проницаемости пермаллоя).
• High Flux имеет самую большую индукцию насыщения из всех сплавов.
  • Состав: никель (Ni) = 50%, железо (Fe) = 50%.
  • Проницаемость: до 160.

Главной причиной невозможности применения тороидальных сердечников из феррита без зазора в силовых индуктивных элементах (СИЭ) является низкое значение постоянного тока насыщения. Для пояснения вышесказанного рассмотрим пример.

Исходные данные: индуктивность дросселя 20 мкГн, ток 1 А.

Определим типоразмер ферритового сердечника без зазора, обеспечивающий работу в заданных условиях.

Максимальная индукция для ферритового сердечника определяется формулой:

где μ₀ — абсолютная магнитная проницаемость вакуума 1,257×10^–3 мкГн/мм; μ_е — относительная магнитная проницаемость сердечника; I — ток через обмотку (А); N — число витков; l_e — средняя длина магнитной линии (мм).

После преобразования формулы (1) получим выражение для определения средней длины магнитной линии, что необходимо для выбора сердечника:

Здесь размерность использованных величин такая же, как и в формуле (1).

Принимаем, что N = 5 витков, В = 300 мТл (усредненное значение максимальной индукции для силовых ферритов), μ_е = 2200 (эффективная проницаемость ферритовых кольцевых сердечников из материала N87). Используя формулу (2), получаем значение средней длины магнитной линии l_e = 46 090 мм, что явно превышает разумные значения. Выход в данном случае один — уменьшение относительной проницаемости сердечника с помощью воздушного зазора. Если в разъемных сердечниках воздушный зазор можно получить с помощью прокладки соответствующей толщины между отдельными частями сердечника, то в кольцевом ферритовом необходимо делать пропил с помощью специального технологического оборудования.

Параметры стандартных кольцевых сердечников с зазором фирмы Ferroxcube

Фирма Ferroxcube представляет линейку кольцевых ферритовых сердечников с зазором (табл. 1, 2, 3, рис. 1).

По аналогии с примером, рассмотренным выше, рассчитаем выходной дроссель однотактного прямоходового DC/DC-преобразователя (рис. 2).

Задача 1: выбрать сердечник с зазором для выходного дросселя L≥20 мкГн, уменьшение индуктивности при токе I_L = 1 А должно быть не более 10%.

Выбор начинаем с минимального по размерам сердечника и минимального значения A_L.

Кривые, приведенные на рис. 3, подтверждают, что сердечник не насыщается, изменение индуктивности составляет менее 10%, что удовлетворяет заданным условиям.

Определим, какой максимальный ток может протекать через обмотку дросселя при заданном количестве витков и изменении индуктивности:

• по графику определим число ампер-витков (70), обеспечивающее снижение индуктивности не более 10%.
• максимальный ток I_max = 70/I_L = 70/23≈3 А.

Так как получился достаточно большой запас по току, можно уменьшить число витков за счет увеличения параметра сердечника А_L (уменьшения зазора).

Выбираем сердечник TN13/5-3C20-A79, у которого A_L = 79 нГн.

Кривые, приведенные на рис. 3, подтверждают, что сердечник не насыщается, изменение индуктивности составляет менее 10%, что удовлетворяет заданным условиям.

Сравним среднюю длину магнитной линии для кольцевого сердечника с зазором и без зазора:

• с зазором l_e = 30,1 мм;
• без зазора l_e = 46 090 мм;

Далее сравним варианты решения одной и той же задачи расчета СИЭ на материале с распределенным зазором. Для этого используем кольцевые сердечники из материала Kool Mu фирмы Magnetics.

Задача 2: выбрать сердечник с зазором для выходного дросселя L≥20 мкГн, при этом уменьшение индуктивности при токе I_L = 1 А должно быть не более 10%.

Начнем с сердечника, наиболее соответствующего TN13/5-3C20 по габаритным размерам — 77050, проницаемость материала 125, A_L = 56 нГн, l_e = 31,2 мм, габаритные размеры 12,7×7,62×4,75 (внешний диаметр × внутренний диаметр × высота).

Находим напряженность магнитного поля по формуле

По графику, приведенному на рис. 4, находим уменьшение индуктивности при заданном токе: изменение составляет примерно 8%, что удовлетворяет заданным условиям.

Теперь проверим, можно ли использовать сердечник из материала с распределенным зазором меньших размеров.

Используем сердечник 77130 со следующими параметрами: проницаемость материала 125, A_L = 53 нГн, l_e = 26,9 мм, габаритные размеры 11,2×6,35×3,96 (внешний диаметр × внутренний диаметр × высота).

По формуле (3) находим напряженность магнитного поля:

По графику на рис. 4 определяем, что уменьшение индуктивности составляет примерно 10%.

Используем сердечник меньшего размера 77040 с параметрами: проницаемость материала 125, A_L = 66 нГн, l_e = 23,8 мм, габаритные размеры 10,2×5,08×3,96 (внешний диаметр × внутренний диаметр × высота).

По формуле (3) находим напряженность магнитного поля

По графику на рис. 4 определяем, что уменьшение индуктивности составляет примерно 12%, что превышает заданные пределы.

Определим, каким проводом можно намотать обмотку в один слой на сердечниках TN13/5-3C20-A79 и 77130, исходя из допустимого значения плотности тока.

Диаметр провода по изоляции D_пр.из рассчитывается по формуле:

где k = 0,8…0,82.

Диаметр провода по меди D_пр:

Для сердечника TN13/5-3C20-A79 по формулам (4) и (5) получаем:

Для сердечника 77130 по формулам (4) и (5) получаем:

Вычислим плотность тока в обмотках СИЭ:

Для TN13/5-3C20-A79 J = 3,2 А/ мм².

Для 77130 J = 4,1 А/мм², следовательно, обмотка на сердечнике 77130 будет больше нагреваться.

Заключение

Приведенные выше соображения и расчеты позволяют сделать вывод, что для приложений, где габаритные размеры играют определяющую роль, лучше всего использовать материалы сердечников с распределенным зазором. В тех случаях, когда главным критерием выбора являются малые потери и низкая себестоимость СИЭ, лучше использовать кольцевые сердечники с зазором фирмы Ferroxcube.