Магнитопровод

Магнитопровод — это деталь электромагнитного устройства, предназначенная для концентрации и направления магнитного потока. Магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов (электротехническая сталь, ферриты, аморфные сплавы) и является ключевым элементом трансформаторов, электрических машин, дросселей, магнитных пускателей и датчиков.

Назначение и принцип действия

Основная функция магнитопровода — создание замкнутого пути для магнитного потока, что позволяет минимизировать рассеяние магнитного поля и повысить эффективность передачи энергии. В основе работы лежит свойство ферромагнетиков обладать высокой магнитной проницаемостью (в тысячи раз выше, чем у воздуха). Благодаря этому магнитный поток замыкается преимущественно внутри материала, а не в окружающем пространстве.

В трансформаторах магнитопровод служит для передачи магнитной энергии между обмотками. В электрических машинах (двигателях и генераторах) он участвует в создании вращающего момента или ЭДС. В дросселях и магнитных усилителях магнитопровод обеспечивает накопление энергии в магнитном поле.

Классификация

Магнитопроводы классифицируются по нескольким признакам.

По форме и конструкции

• Стержневые — имеют два или три стержня, соединённых ярмами. Обмотки располагаются на стержнях. Наиболее распространены в силовых трансформаторах.
• Броневые — обмотка частично или полностью охвачена магнитопроводом, что улучшает экранирование. Используются в маломощных трансформаторах и дросселях.
• Тороидальные — выполнены в виде кольца (тора). Обмотка наматывается непосредственно на кольцо. Отличаются минимальным рассеянием и компактностью.
• Шихтованные — собираются из отдельных пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком или оксидной плёнкой. Применяются в устройствах, работающих на переменном токе, для снижения вихревых токов.
• Ленточные (витые) — изготавливаются из тонкой ленты стали, свёрнутой в рулон. Используются в тороидальных и броневых конструкциях.

По типу магнитного материала

• Электротехническая сталь — основной материал для силовых трансформаторов и машин. Легирована кремнием (до 4,5 %) для снижения потерь на гистерезис. Выпускается в виде листов толщиной 0,1–0,5 мм.
• Ферриты — керамические магнитные материалы на основе оксидов железа, марганца, цинка, никеля. Обладают высоким удельным сопротивлением, что позволяет работать на высоких частотах (до сотен кГц). Используются в импульсных трансформаторах, фильтрах, антеннах.
• Аморфные и нанокристаллические сплавы — имеют очень низкие потери на перемагничивание. Применяются в высокочастотных и энергоэффективных трансформаторах, например, в блоках питания современных компьютеров.
• Пермаллой — сплав железа и никеля (до 80 % Ni). Обладает очень высокой магнитной проницаемостью, но низкой индукцией насыщения. Используется в слаботочных трансформаторах, магнитных усилителях, измерительных приборах.

По способу изготовления

• Шихтованные — собираются из отдельных пластин, штампованных из листа. Пластины укладываются внахлёст или встык.
• Витье — лента наматывается на оправку, затем разрезается или формуется. Обеспечивает высокую однородность свойств.
• Литьё под давлением — используется для ферритовых магнитопроводов сложной формы.

Характеристики и параметры

Ключевые параметры магнитопровода:

• Магнитная проницаемость (μ) — способность материала концентрировать магнитный поток. Для электротехнической стали μ = 2000–10000, для ферритов — 500–5000, для пермаллоя — до 100000.
• Индукция насыщения (B_s) — максимальная магнитная индукция, при которой материал перестаёт усиливать поле. Для стали B_s ≈ 1,5–2,0 Тл, для ферритов — 0,3–0,5 Тл.
• Коэрцитивная сила (H_c) — характеризует остаточную намагниченность. Для мягких магнитных материалов (трансформаторная сталь) H_c мала (0,1–10 А/м), для твёрдых (постоянные магниты) — велика.
• Потери на гистерезис — зависят от площади петли гистерезиса и частоты перемагничивания.
• Потери на вихревые токи — пропорциональны квадрату частоты, квадрату толщины пластины и обратно пропорциональны удельному сопротивлению.

Применение

Магнитопроводы используются во всех устройствах, где требуется преобразование или передача электромагнитной энергии:

• Силовые трансформаторы — от маломощных (блоки питания) до гигантских (подстанции 500 кВ). Магнитопроводы стержневого и броневого типа.
• Электрические машины — статоры и роторы двигателей и генераторов. Магнитопровод выполняется шихтованным из стали с пазами для обмоток.
• Дроссели и реакторы — для ограничения тока, фильтрации помех, накопления энергии. Используются тороидальные и стержневые магнитопроводы.
• Импульсные трансформаторы — в блоках питания, инверторах, сварочных аппаратах. Часто применяются ферритовые сердечники.
• Магнитные усилители — устройства управления мощностью, работающие на подмагничивании сердечника.
• Датчики — магнитопроводы входят в состав датчиков тока, положения, скорости (например, трансформаторы тока, датчики Холла с ферритовыми концентраторами).
• Медицинская техника — в аппаратах МРТ используются сверхпроводящие магниты, но магнитопроводы применяются в градиентных катушках и экранировании.

История

Первые трансформаторы, созданные в 1870-х годах (П. Н. Яблочков, Л. Голар, Дж. Гиббс), имели разомкнутые магнитопроводы или использовали пучки стальной проволоки. В 1885 году венгерские инженеры О. Блати, М. Дери и К. Циперновский предложили замкнутый шихтованный магнитопровод из листовой стали, что резко повысило КПД трансформаторов. В 1890-х годах началось производство трансформаторной стали с добавками кремния. В XX веке были разработаны ферриты (1930-е, фирма Philips), аморфные сплавы (1970-е) и нанокристаллические материалы (1980-е). В СССР и России крупные заводы по производству магнитопроводов работали в Запорожье (Украина), Екатеринбурге, Москве, Санкт-Петербурге.

Интересные факты

• В трёхфазных трансформаторах магнитопровод может быть выполнен в виде трёх стержней, расположенных в одной плоскости (плоская шихтовка), или в виде пространственной конструкции (например, «звезда»).
• Для снижения потерь на вихревые токи пластины магнитопровода изолируют друг от друга лаком или оксидной плёнкой. Толщина изоляции составляет 0,01–0,05 мм.
• В некоторых конструкциях (например, в трансформаторах тока) магнитопровод может быть разъёмным, что позволяет надевать его на провод без разрыва цепи.
• Ферритовые магнитопроводы хрупки и требуют осторожного обращения при монтаже.
• В сверхпроводящих магнитных системах (МРТ, ускорители) магнитопроводы не используются, так как поле создаётся непосредственно током в сверхпроводнике.

Источники

• Вольдек А. И. «Электрические машины». — Л.: Энергия, 1974.
• Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. «Расчёт индуктивностей». — Л.: Энергоатомиздат, 1986.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• ГОСТ 21427.1-83 «Сталь электротехническая холоднокатаная. Технические условия».
• Материалы сайта «Электромеханика» (раздел «Магнитопроводы»).