НЕМАГНИТНЫЙ ЗАЗОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КОМПОНЕНТА

Устройство относится к силовой электронике, в частности к преобразователям энергии с применением электромагнитных компонентов в виде трансформаторов и катушек индуктивности с обмотками в виде печатных плат.
Как известно, если через катушку с сердечником протекает большой ток, то магнитный материал сердечника может войти в насыщение. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость резко уменьшается, что влечет за собой пропорциональное уменьшение индуктивности. Уменьшившаяся индуктивность вызывает дальнейший ускоренный рост тока через катушку индуктивности (КИ), и т.д.
В большинстве импульсных источников питания (ИИП) насыщение сердечника крайне нежелательно и может приводить к следующим негативным явлениям:
- увеличенный уровень потерь в материале сердечника и увеличенный уровень омических потерь в проводе обмотки приводят к неоправданно низкому КПД КИ;
- дополнительные потери вызывают перегрев КИ, а также расположенных поблизости радиодеталей
- сильные магнитные поля в сердечнике в сочетании с его уменьшившейся магнитной проницаемостью являются многократно усиленным по сравнению с нормальным режимом работы источником помех и наводок на малосигнальные цепи ИИП и другие приборы;
- ускоренно нарастающий ток через КИ вызывает ударные токовые перегрузки ключей ИИП, повышенные омические потери в ключах, их перегрев и преждевременный выход из строя;
- ненормально большие импульсные токи КИ влекут за собой перегрев электролитических конденсаторов фильтров питания, а также увеличенный уровень помех излучаемых проводами и дорожками печатной платы ИИП.
Соответственно, для обеспечения нормальной работы ИИП, следует избегать работы сердечника в режиме насыщения.
Известно устройство, патент US 6590485 «Magnetic core having magnetically biasing bond magnet and inductance part using the same» с приоритетом от 28.11.2001, в котором для предотвращения насыщения сердечника используется, располагаемый в зазоре центрального керна, материал из смеси редкоземельного магнитного порошка и связующего полимера.
Известно устройство, патент US 5155676 «Gapped/ungapped magnetic core» с приоритетом от 01.11.1991, в котором для получения большей индуктивности без насыщения сердечника на нем выполняются несколько зазоров.
Известно устройство, патент ЕР 0388930 «E-I core with an air gap» с приоритетом от 21.03.1990, в котором для того чтобы сердечник не насыщался зазор выполняется не путем уменьшения центрального керна Е-элемента, а посредством выемки в центральной части I-элемента.
Известно устройство, патент ЕР 0577334 «Partial gap magnetic core apparatus» с приоритетом от 24.06.1993, в котором для предотвращения насыщения сердечника используется частичный зазор, выполняемый в центральном керне сердечника.
Общим недостатком вышеприведенных устройств является сложность исполнения зазоров в сердечнике и сложность корректировки данных зазоров, например при изменении значения максимального тока протекающего через обмотку.
Целью данного устройства является увеличение КПД и упрощение конструкции ЭМК.
Данная цель достигается за счет того, что при использовании стандартных сердечников ЭМК без зазора, он формируется путем введения между частями сердечника пластины из немагнитного материала расчетной толщины.
В силовой энергетике, в частности, в преобразователях энергии с применением ЭМК в виде трансформаторов и индуктивностей с обмотками в виде печатных плат очень часто применяются ЭМК с промышленно изготовленным зазором в центральном керне (D керна на фиг.1).
Данный зазор необходим для удержания постоянной составляющей магнитной индукции ниже точки насыщения. Зазор должен быть как можно меньше, чтобы минимизировать краевое магнитное поле вокруг него. Большое краевое поле увеличивает индуктивность рассеяния. Энергия накапливается в индуктивности сердечника, а большая величина индуктивности рассеяния препятствует передаче накопленной энергии в нагрузку.
Также известно, что эффект зазора в сердечнике ЭМК создает магнитные поля, сосредоточенные непосредственно около зазора, которые пересекают проводники вблизи зазора и наводят дополнительные вихревые токи, вызывающие потери. Этот эффект является главенствующим в ЭМК с большим уровнем пульсаций тока, где есть зазор в сердечнике магнитопровода. Этот эффект имеет тенденцию более сильного проявления в обмотках из фольги, чем с круглым проводом того же сечения, так как эти поля имеют сильную составляющую перпендикулярную оси обмотки и следовательно поверхности фольги. Соответственно, для уменьшения этого эффекта, при сохранении числа витков обмоток, необходимо обеспечить как можно большее расстояние между зазором и витками обмотки.
Из известной формулы расчета энергии запасенной в ЭМК:
где В - плотность магнитного потока, тл,
2
А - площадь поперечного сечения сердечника, мм,
δ - величина воздушного зазора, мм,
0
µ - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, и из того что минимальный требуемый объем зазора равен
следует, что для сохранения необходимого минимального объема зазора можно уменьшить величину зазора при одновременном увеличении его площади.
Исходя из этого, было предложено перераспределить зазор центрального керна на боковые стержни.
Для упрощения конструкции и получения положительного экономического эффекта был использован стандартный ферритовый сердечник без зазора. Для обеспечения необходимой величины зазора между элементами ЭМК была проложена прокладка из немагнитного материала (фиг.2).
Экспериментально было выяснено, что при данном способе формирования зазора его величина уменьшается в два раза по сравнению с использованием ЭМК с зазором в центральном керне (фиг.1). При этом обмотка ЭМК удаляется от зазора, уменьшаются вихревые токи и КПД ЭМК повышается на 1-2%.
Кроме того при данном способе выполнения зазора унифицируется использование одного и того же сердечника для разных значений максимального тока протекающего через обмотку, путем подстановки прокладки из немагнитного материала требуемой толщины.
В предпочтительном варианте в качестве ЭМК используется ферритовый сердечник с обмотками в виде печатных плат с зазором, выполненным с помощью прокладки из немагнитного материала.
Возможен вариант, в котором обмотки ЭМК выполнены в виде объемных витков провода.
Также возможен вариант, когда обмотки ЭМК выполнены в виде медных пластин.
Еще возможен вариант, по которому обмотки ЭМК выполнены в виде вырезных плоских витков.
В предпочтительном варианте ЭМК имеет две обмотки.
Возможен вариант, где ЭМК имеет одну обмотку.
Также возможен вариант, в котором ЭМК имеет более двух обмоток.