Основные теоретические сведения. В катушках индуктивности стальной сердечник с большим значением индукции насыщения используется для увеличения индуктивности

В катушках индуктивности стальной сердечник с большим значением индукции насыщения используется для увеличения индуктивности. Однако наличие сердечника придает катушке нелинейные свойства, которые ограничивают диапазон ее эффективного применения. В случае, когда через катушку протекает чрезмерно большой ток, магнитный материал сердечника насыщается. Насыщение сердечника дросселя может привести к повышению потерь в материале сердечника. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивности катушки.

В этих случаях сердечник катушки выполняют с воздушным зазором на пути магнитного потока катушки индуктивности. Это позволяет исключить насыщение сердечника, уменьшить потери мощности в нем и обеспечить ряд других преимуществ.

Рис. 1

Когда по обмотке дросселя или обмотке трансформатора, кроме переменной составляющей, протекает еще и постоянный ток, то индуктивность обмотки уменьшается.

Чтобы избежать резкого уменьшения индуктивности катушки из-за уменьшения μ_ср, сердечник катушек, работающих со значительным постоянным подмагничиванием (Ф₌ > Ф_~), выполняют с воздушным зазором.

Воздушный зазор создает сопротивление магнитному потоку и тем самым уменьшает постоянную составляющую индукции B₀, вызванную подмагничиванием. Уменьшение постоянной составляющей индукции смещает рабочую точку на крутой участок кривой намагничивания, где дифференциальная магнитная проницаемость (наклон касательной к кривой намагничивания) выше. Вследствие этого магнитное сопротивление сердечника становится меньше и общее сопротивление всего магнитопровода, несмотря на имеющийся в нем воздушный зазор, также уменьшается.

Для каждого значения постоянной намагничивающей силы (тока подмагничивания) получается некоторый оптимальный по величине зазор, для которого магнитопровод имеет наименьшее магнитное сопротивление переменному току.

На переменную составляющую магнитного потока Φ_~ зазор оказывает значительно меньшее значение при условии, если индуктивное сопротивление катушки значительно превосходит активное сопротивление обмотки и источника, т.е. перемагничивание сердечника по переменной составляющей осуществляется источником ЭДС.

Динамическая магнитная проницаемость (а, следовательно, и дифференциальная индуктивность) на частном цикле изменяется в зависимости от подмагничивания. При изменении зазора изменяется подмагничивание, и, следовательно, изменяется дифференциальная индуктивность катушки.

Зависимость дифференциальной индуктивности катушки с сердечником от ширины зазора имеет сложный характер. С одной стороны при пренебрежении нелинейностью магнитной характеристики сердечника с зазором при увеличении ширины зазора индуктивность должна уменьшаться из-за уменьшения эквивалентной магнитной проницаемости μ_эк. Действительно: , где ; μ_{r э} - относительная эквивалентная магнитная проницаемость магнитопровода с зазором; μ_r - относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода. С другой стороны при учете нелинейности зависимости B(H) материала при изменении ширины зазора можно оказаться на разных участках зависимости B(H). Это приведет к соответствующему изменению дифференциальной индуктивности катушки. На рис. 2 μ₂ >μ₃> μ₄.

Рис.2