Типы тороидальных сердечников для трансформаторов

Преимущество сердечников, набираемых из пластин, заключается в том, что их можно изготовить из любых, даже очень хрупких материалов. В броневом сердечнике обмотки располагаются на центральном стержне, что упрощает конструкцию, обеспечивает более полное использование окна и частично создает защиту обмотки от механических воздействий. Недостатком же такого трансформатора является повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты. Это ограничивает применение броневых маг-нитопроводов, в частности, в устройстве входных трансформаторов.

В стержневых сердечниках обмотки располагаются на двух стержнях. При этом уменьшается толщина намотки и, следовательно, индуктивность рассеяния трансформатора. Кроме того, сокращается расход провода и увеличивается поверхность охлаждения, что важно для мощных трансформаторов. Поэтому стержневые магнитопроводы чаще всего входят в состав мощных выходных трансформаторов, а также входных трансформаторов высокочувствительных усилителей.

При изготовлении сердечников к Ш-образным пластинам добавляют перемычки. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, сердечник собирают «вперекрышку». В магнито-проводах трансформаторов и дросселей, по которым протекает постоянный ток (например, дросселей фильтра питания), делают немагнитный зазор. В этом случае пластины собирают в одну сторону. Между пакетами пластин и перемычек помещают прокладку из листового электроизоляционного материала необходимой толщины.

Для уменьшения потерь на вихревые токи пластины дополнительно изолируют тонким слоем лака (с одной стороны) или окисла, который образуется при отжиге.

После сборки сердечник стягивают планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимками. Шпильки должны быть изолированы от пластин. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Ленточные сердечники трансформаторов

Витые (ленточные) сердечники трансформаторов навивают из полос электротехнической стали или железо-никелевых сплавов (рис. 3, 4).

В устройстве таких магнитопроводов допускаются материалы различной толщины (до нескольких микрометров), что позволяет применять их для трансформаторов при повышенных частотах. Они эффективнее, чем пластинчатые магнитопроводы, используют магнитные свойства материалов (особенно холоднокатанных сталей); отличаются несколько повышенными потерями и наличием воздушного зазора в стыках (5. 40 мкм). Кроме того, следует отметить меньшую стоимость изготовления.

Тип у, мм у₁, мм b, мм h, мм L, мм H, мм Средняя
длина
магнит-
ной
линии,
см ШЛ 4 4; 5; 6,5; 8 4 10 16 14 3,4 5 5; 6,5; 8; 10 5 12 20 17 4,2 6 6,5; 8; 10; 12,5 6 15 24 21 5,1 8 8; 10; 12,5; 16 8 20 32 28 6,8 10 10; 12,5; 16; 20 10 25 40 35 8,5 12 12,5; 16; 20 ;25 12 30 48 42 10,2 16 16; 20; 25; 32 16 40 64 56 13,6 20 20; 25; 32; 40 20 50 80 70 17,1 25 25; 32; 40; 50 25 62,5 100 87,5 21,3 32 32; 40; 50; 64 32 80 128 112 27,3 40 40; 50; 64; 80 40 100 160 140 34,2 ШЛМ 8 8; 10; 12,5; 16 5 14 26 22 5,0 10 10; 12,5; 16; 20 6 18 32 28 6,4 12 12,5; 16; 20; 25 8 23 40 35 8,1 16 16; 20; 25; 32 10 26 32 42 9,7 20 20; 25; 32; 40 12 36 64 56 12,7 25 25; 32; 40; 50 15 45 80 70 16,0 ШЛО 4 5; 6,5; 8; 10 5 13 18 17 4,4 5 5; 6,5; 8; 10 6,2 16 22,4 21 5,6 6 6,5; 8; 10; 12,5 7,5 23 27 29 7,3 8 8; 10; 12,5; 16 10 27 36 35 9,6 10 10; 12,5; 16; 20 12,5 32 45 42 11,0 12 12,5; 16; 20; 25 20 44 65 57 14,7 16 16; 20; 25; 32 24 64 81 71 18,1

Тип	d мм	D, мм	b, мм	Средняя длина магнит- ной линии, см
ОЛ	10	16	4; 5; 6,5; 8	4
	12	20	5; 6,5; 8; 10	5
	16	26	6,5; 8; 10; 12,5	6,5
	20	32	8; 10; 12,5; 16	8,1
	25	40	10; 12,5; 16; 20; 25	10,2
	32	50	16; 20; 25; 32	12,8
	40	64	20; 25; 32; 40	16,3
	50	80	25; 32; 40; 50	20,4
	64	100	32; 40; 50; 64	25,8
	80	128	40; 50; 64; 80	32,6

Ферритовые сердечники трансформаторов

Ферритовые сердечники для трансформаторов изготавливаются из магнитно-мягких ферритов и представляют собой Ш-образные или кольцевые магнитопроводы (рис. 5, 6).

Размеры Ш-образных сердечников из феррита приведены в табл. Т4, а кольцевых — в табл. Т5. Следует учесть, что ферритовый Ш-образный сердечник трансформатора составляется из двух одинаковых частей (магнитопроводов). Обозначение типоразмера Ш-образного сердечника имеет вид Шс×f, а кольцевого — KD×d×h (размеры в миллиметрах).

Типоразмер	a, мм	b, мм	c, мм	d, мм	e, мм	f, мм	Средняя длина магнитной линии, см	Площадь окна, см 2	Марки феррита
Ш2,5×2,5	10	6,5	2,5	3,3	5	2,5	3,3	0,13	4000НМ
Ш3×3	12	8	3	4	6	3	4	0,2	2000НМ
Ш4×4	16	10,4	4	5,2	8	4	5,2	0,33	2000НМ1
Ш5×5	20	13	5	6,5	10	5	6,6	0,52	700НМ
Ш6×6	24	16	6	8	12	6	8	0,8	600НН
Ш7×7	30	19	7	9,5	15	7	9,5	1,14	4000НМ
Ш8×8	32	23	8	11,5	16	8	11	1,72	2000НМ
Ш10×10	36	26	10	13	18	10	12	2,1	2000НМ1 600НН
Ш12×15	42	30	12	15	21	15	14	2,7	2000НМ
Ш16×20	54	38	16	19	27	20	18	4,2	2000НМ
Ш20×28	65	44	20	22	32	28	21	5,3	2000НМ1

Типоразмер	Средняя длина магнитной линии, мм	Площадь поперечного сечения, мм 2	Площадь окна, мм 2
К4,0×2,5×1,2*	9,84	0,88	4,91
К5,0×2,0×1,5**	9,6	2,1	3,14
К5,0×3,0×1,5*	12,04	1,47	7,07
К7,0×4,0×1,5	16,41	2,19	12,57
К7,0×4,0×2,0*	16,41	2,92	12,57
К10,0×6,0×2,0	24,07	3,91	28,27
К10,0×6,0×3,0*	24,07	5,87	28,27
К10,0×6,0×4,5	24,07	8,81	28,27
К12,0×5,0×5,5	23,57	18,07	19,63
К12,0×8,0×3,0	30,57	5,92	50,27
К16,0×8,0×6,0	34,84	23,06	50,27
К16,0×10,0×4,5*	39,37	13,25	78,54
К17,5×8,2×5,0	36,75	22,17	52,81
К20,0×10,0×5,0	43,55	24,02	78,54
К20,0×12,0×6,0*	48,14	23,48	113,09
К28×16×9*	65,64	52,61	201,06
К31×18,5×7	74,41	42,79	268,8
К32×16×8	69,68	61,5	201,06
К32×16×12**	69,68	92,25	201,06
К32×20×6	78,75	35,34	314,15
К32×20×9*	78,75	53,02	314,15
К38×24×7	94,04	48,15	452,38
К40×25×7,5	98,64	55,23	490,87
К40×25×11*	98,64	81,11	490,87
К45×28×8	110,47	66,74	615,75
К45×28×12**	110,47	97,83	615,75

Сердечники из феррита марки 700НМ изготавливаются с наружным диаметром 5-20 мм.
Сердечники, отмеченные звездочкой (*), производятся также из феррита марки 10000НМ.
Сердечники, отмеченные двумя звездочками (**), из феррита марок 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ, 4000НМ, 6000НМ, 10000НМ не изготавливаются.

Источник

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Выбор и параметры сердечника трансформатора

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал об определении габаритной мощности трансформатора Р_Г и об определении коэффициента заполнении окна k_ок трансформатора. Для выбора трансформатора этих данных недостаточно. Существенное влияние на его параметры оказывают заданные величины, например, напряжение, частота, режим и условия работы. Часто тип трансформатора, его сердечник и обмотки известны изначально, в противном случае их следует выбирать исходя из заданных условий.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как выбрать тип трансформатора?

Тип трансформатора определяется конструкцией применяемого в нём сердечника. В настоящее время выпускается большое разнообразие сердечников в особенности ферритовых. Но среди них можно выделить три основных типа: стержневой (СТ), броневой (БТ) и тороидальный (ТТ). Остальные же являются, по сути, их модификацией с различными конструктивными особенностями.

Сделать однозначный выбор в пользу того или иного типа невозможно, так как каждый обладает своими достоинствами и недостатками и должен применяться в зависимости от назначения и предъявляемых к нему требований. К трансформаторам могут предъявляться следующие требования и их комбинация: массогабаритные, по стоимости, влияние собственных и внешних магнитных полей, конструктивные факторы и технологичность производства.

Основные типы конструкций сердечников трансформаторов: стержневой СТ, броневой БТ и тороидальный ТТ трансформаторы (слева направо).

При условии минимального падения напряжения (∆U) на промышленной частоте (50 Гц) наименьшим объемом обладает БТ, а весом – ТТ. Стержневые трансформаторы несколько уступают броневым (до 10%). При увеличении частоты, по весу – СТ улучшают свои параметры по сравнению с БТ, а по объему – ухудшаться. ТТ при возрастании частоты значительно улучшают массогабаритные показатели. Таким образом, при условии минимального падения напряжения при частоте 50 Гц рекомендуется применение броневых сердечников (БТ), а при повышении частоты следует использовать тороидальные сердечнике (ТТ), если вес и объем играет решающую роль.

Если ключевым требованием к трансформатору является постоянство рабочей температуры (∆T), то здесь рекомендации другие. При малой мощности БТ имеют преимущество, а в остальных случаях следует использовать СТ даже при повышенных частотах. Использование ТТ имеет смысл только на небольших мощностях особенно на повышенных частотах, так как с ростом мощности преимущества по массе и весу сглаживаются, а при больших мощностях (свыше сотен ватт) ТТ начинают уступать как СТ, так и БТ.

В итоге можно сказать, что для трансформаторов небольшой мощности (до 50 Вт) рекомендуется применять БТ и ТТ, а на высоких частотах – ТТ. При мощностях более 50 Вт показатели СТ становятся лучше, чем у БТ, а при мощностях более 250 Вт лучше, чем у ТТ.

Если условием для проектирования трансформатора является наибольшее значение КПД, то на промышленной частоте (50 Гц) лучшие показатели у БТ и СТ в порядке убывания, а на повышенных и высоких – ТТ и БТ, также в порядке убывания. Также стоит отметить, что ТТ обладает наименьшим намагничивающим током, при прочих равных условиях.

На высоких частотах важную роль часто играют магнитные поля рассеяния и восприимчивость к внешним магнитным полям. В этом отношении лучшими показателями отличаются тороидальные трансформаторы (при равномерно распределённой обмотке по сердечнику), а также стержневые трансформаторы (при равном разделении обмотки между стержнями). Собственная емкость у ТТ достаточно высокая по сравнению с БТ и СТ.

С точки зрения технологичности наилучшими показателями обладают БТ и СТ. Из недостатков ТТ здесь можно выделить следующее: необходимость последовательного изготовления сердечника и катушки, а также низкая производительность намотки катушки.

Рекомендуемые области применения различных типов трансформаторов.

Вид трансформатора			На штампованных сердечниках	На ленточных сердечниках
Низковольтные	Малой мощности (до 50 Вт)		БТ	БТ, СТ
	Средней и большой мощности (более 50 Вт)	50 Гц	БТ	СТ
		10 кГц	БТ, ТТ	ТТ, СТ
		Высоковольтные (тысячи вольт)		10 кГц	БТ, ТТ	СТ, ТТ
С высоким потенциалом				10 кГц	ТТ, БТ	ТТ, СТ
		При необходимости надёжного экранирования			ТТ, СТ	ТТ, СТ
Примечание. Первым указывается тип трансформатора, применение которого предпочтительней.

Основные размеры трансформатора

Геометрические размеры трансформатора в большинстве случаев являются определяющими для его технико-экономических показателей. Основными размерами катушки трансформатора являются её высота и ширина (толщина), ограниченные размерами сердечника. Для сердечника основными размерами будут: ширина стержня, несущего катушку а; толщина стержня b; ширина окна с и высота окна h.

Основные размеры сердечников трансформаторов разных типов.

В технических характеристиках на сердечники и литературе единицей измерения размеров, как правило, является миллиметры мм (mm).

Для упрощения расчётов и некоторой унификации сердечников в отечественной литературе и методиках расчёта был введен так называемый базовый размер. В качестве базового может быть взят один из основных размеров трансформатора. В большинстве случаев в качестве базового размера берётся ширина стержня а. Тогда геометрия сердечника описывается следующими соотношениями

Используя базовый размер а и безразмерные коэффициенты x, y, z можно выразить все геометрические характеристики трансформатора: длины, сечения, поверхности и объёмы. Например, сечение сердечника S_c = ab, а с учетом базового размера S_c = ya 2 . Объём броневого трансформатора БТ

а с учетом базового размера

то есть геометрические параметры трансформатора с учётом базового размера выражаются формулами типа

где k – может иметь значение от 1 до 3, в зависимости от типа величины (1 – длины; 2 – площади, поверхности, сечения; 3 – объёмы);

φ_i – функция геометрической характеристики трансформатора, индекс «i» указывает конкретную характеристику.

Характеристика трансформатора	Обозначение функции	Обозначение характеристики
Длина средней магнитной линии	φ_l	l_c= φ_la
Средняя длина витка катушки	φ_w	l_w= φ_wa
Сечение сердечника (геометрическое)	φ_s	s_c= φ_sa 2
Полное сечение (площадь) окна сердечника	φ_ok	s_ok= φ_oka 2
Площадь поверхности охлаждения катушки	φ_пк	П_к= φ_пкa 2
Площадь поверхности охлаждения сердечника	φ_пс	П_с= φ_псa 2
Объем, занимаемый катушкой	φ_k	V_k= φ_ka 3
Объем, занимаемый сердечником	φ_с	V_с= φ_сa 3

Геометрические характеристики трансформатора и их функции.

Функции геометрии не имеют размерности, поэтому с их помощью проще проводить анализ различных типов трансформаторов.

Функции геометрических параметров броневого трансформатора

Итак, начнем c геометрических параметров броневого трансформатора:

— длина средней магнитной линии l_c

— площадь сечения сердечника s_c

— сечение окна сердечника s_ok

— площадь поверхности охлаждения катушки П_к

— площадь поверхности охлаждения сердечника П_с

— объем занимаемый катушкой V_k

— объем занимаемый сердечником V_c

Функции геометрических параметров стержневого трансформатора

Для геометрических параметров стержневого трансформатора функции имеют вид:

— длина средней магнитной линии l_c

— площадь сечения сердечника s_c

— сечение окна сердечника s_ok

— площадь поверхности охлаждения катушки П_к

— площадь поверхности охлаждения сердечника П_с

— объем занимаемый катушкой V_k

— объем занимаемый сердечником V_c

Функции геометрических параметров тороидального трансформатора

Ещё одним из основных типов трансформатора является тороидальный, для которого функции геометрии будут следующие:

— длина средней магнитной линии l_c

— площадь сечения сердечника s_c

— сечение окна сердечника s_ok

— площадь поверхности охлаждения катушки П_к

— площадь поверхности охлаждения сердечника П_с

— объем занимаемый катушкой V_k

— объем занимаемый сердечником V_c

Функции геометрических параметров φ_i широко используются для расчёта электромагнитных нагрузок трансформатора (плотности тока j и индукции В) и его электрического расчета.

Выбор материала сердечника

На данный момент разработано большое количество магнитных материалов, из которых изготавливают сердечники трансформаторов. Основными из них являются:

Электротехнические стали используются на частотах до десятков кГц и имеют индукцию насыщения B_S ≤ 2 Тл. На частоте 50 Гц применяется сталь толщиной 0,35 – 0,5 мм, а выше – толщиной 0,05 – 0,15 мм. Например, 3411, 3412, 3421, 3422 и т.д.
Электротехнические сплавы используются на частотах до 100 кГц с индукцией насыщения до 1,5 Тл. Изготавливаются в виде ленты толщиной 0,05 – 0,1 мм. Например, 79НМ, 34НКМП и т.д.
Ферриты применяются в широком диапазоне частот от единиц кГц до единиц МГц с индукцией насыщения до 0,5 Тл. Изготавливаются в виде сердечников различных типов. Например, 1500НМ3, 700НМ, N72, М33 и т.д.
Магнитодиэлектрики имеют незначительную магнитную проницаемость до сотен единиц, а индукцию насыщения и рабочую частоту в широком диапазоне в зависимости от типа:

Источник