Особенности применения порошковых Е-образных сердечников Magnetics в сварочном оборудовании

Автор: Васильева К.Л.

В статье анализируются перспективы применения сердечников из порошковых материалов конфигурации Е с распределенным зазором в источниках питания сварочных инверторов и др. устройств. Рассмотрена методика расчета типовых дросселей, изготовленных из сердечников на основе пермаллоев Magnetics.

Как известно, практически ни один силовой модуль не обходится без моточных изделий. В поисках решений для повышения

надежности, уменьшения габаритных размеров и улучшения характеристик разрабатываемого оборудования независимо от его назначения ведущие инженеры и конструкторы компаний-лидеров силовой и радиоэлектроники всегда уделяли особое внимание выбору материалов.

Так, например, при проектировании дросселей и трансформаторов современных устройств подавления помех, сварочных инверторов, а также радиоэлектронных устройств, работающих в диапазоне высоких частот, особый интерес представляют магнитодиэлектрики (пермаллои, распыленное железо и др.). Эти материалы получают прессованием порошка ферромагнитного материала и связующего. Готовая смесь формуется и подвергается термообработке при высоких температурах, сопровождающейся спеканием частиц порошка. Фазовый состав ферромагнитной составляющей может быть охарактеризован как:

Kool Mμ Magnetics (Fe-Si-Al), ~ 10% Si, ~7% Al. Данный состав материала выпускается другими производителями под названиями Sendust (Сендаст), альсифер
карбонильное железо
пермаллой (с введением молибдена)

Каждую частицу ферромагнитного материала покрывает пленка из диэлектрика, благодаря которой сердечники не насыщаются, и значения магнитной проницаемости варьируются от нескольких единиц до нескольких десятков [1]. Основные характеристики таких магнитодиэлектриков регулируются размером исходных зерен порошка, введением добавок (Mo, Cr, Mn и др.) в химический состав сплавов и свойствами связующего и выбором температурных режимов, при которых происходит спекание частиц [2]. Особенности получения порошковых материалов позволяют им достичь достаточно высоких значений удельного электрического сопротивления (ρ = 10 ÷ 10⁸ Ом·м), что, в свою очередь, обеспечивает низкие динамические потери энергии в переменных электромагнитных полях.

Среди компаний, ведущих разработку пермаллоев и выпуск магнитопроводов на основе пермаллоев и распыленного железа, можно выделить такие известные зарубежные предприятия как Micrometals, Magnetics, Arnold и др.

Компаниями выпускается широкая номенклатура кольцевых сердечников на основе пермаллоев (MPP, Kool Mμ, HighFlux и др.), поскольку именно тороидальная конструкция позволяет обеспечить высокую устойчивость к внешним воздействиям электромагнитных полей и наименьшую величину индуктивности рассеяния. Тем не менее, некоторые компании уделяют пристальное внимание выпуску сердечников конфигурации E. Ввиду высокой себестоимости многих сплавов интерес представляют магнитопроводы из менее дорогостоящего материала Kool Mμ (альсифер) и распыленного железа (Iron Powder) (рисунок 1), что является недорогой альтернативой пермаллоям.

Е-образные сердечники из материала Kool Mμ

Рисунок 1 – Е-образные сердечники из материала Kool Mμ (Magnetics) [3]

Так, один из лидеров в области разработки и производства магнитопроводов из пермаллоев, компания Magnetics, выпускает ряд Е-образных сердечников из материала Kool Mμ с проницаемостью 26μ, 40μ, 60μ и 90μ.

Преимуществом Е-образной конструкции магнитопровода является возможность его применения в сварочном оборудовании, например, в источниках сварочного тока инверторного типа (ИИСТ). Как известно, многие современные модели сварочных инверторов оснащены выходными дросселями [4,5]. При этом дроссель может быть как ключевым звеном сварочного аппарата, использующего в процессе сварки электроды, так и найти применение в составе сварочного полуавтомата. Применение в схемах ИИСТ моточных изделий позволяет не только стабилизировать ток, но и сгладить за счет их магнитного поля пульсирующее напряжение. Кроме того, дроссель можно использовать как в самодельных сварочных аппаратах, так и аналогичном оборудовании, изготавливаемом на заводе.

При создании ИИСТ также учитывают, что дроссель, изготовленный на Е-образном сердечнике, имеет немагнитный зазор 0,5 - 1,0 мм, позволяющий избежать насыщения и более эффективно управлять индуктивностью. Как показано на рисунке 1 зазор можно создавать одним из трех способов. Первый метод заключается в формировании воздушного зазора на центральном стержне сердечника конфигурации Е за счет уменьшения его высоты. Зазор можно также создавать одновременно в центральном и боковых кернах магнитопровода. Сердечники с дискретным зазором сохраняют высокую индуктивность вплоть до точки перегиба на кривой, что приводит к резкому насыщению. В этой связи, интерес представляет формирование распределенного зазора в Е-образных магнитопроводах из порошковых материалов, который состоит из большого количества малых воздушных зазоров, появляющихся в результате того, что частицы порошка магнитомягкого материала полностью не спекаются в единый состав. В результате, насыщение достигается плавно, что способствует повышению внутренней устойчивости изделия к выходу из строя. В таких сердечниках сохраняется оптимальное значение B_max и обеспечивается смещение по постоянному току при высоких температурах [6]. Намотка может осуществляться медным проводом до заполнения каркаса.

ферриты

Рисунок 2 - Сердечник конфигурации Е: а) Ферритовый сердечник Magnetics материал P с начальной проницаемостью 2500 с дискретным зазором по центральному керну б) Ферритовый сердечник Magnetics из материала P с начальной проницаемостью 2500 с дискретным зазором по центральному и боковым кернам в) сердечник из материала Kool Mμ с распределенным зазором [6]

Поскольку дроссели для ИИСТ, изготовленные на основе порошковых материалов, позволяют повысить не только технологичность готового изделия, уменьшить габаритные размеры и снизить интенсивность полей рассеивания [7], актуальным является сравнить характеристики пермаллоя и распыленного железа, представляющие наибольший интерес для применения в таких схемах.

Сравнительные характеристики некоторых сплавов, таких как пермаллой Kool Mμ (Magnetics) и распыленное железо (Iron Powder) приведены на рисунках 3, 4 и таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики сплавов.

Материал	Kool Мμ® (Magnetics)	Порошковое железо
Состав сплава	Fe Si Al	Fe
Потери тока	Низкие	Высокие
Начальная магнитная проницаемость	26...125	10...100
Температура Кюри, °С	500	770
Рабочие температуры, °С	-55...200	-30...75
Индукция насыщения, Тл	1	-1,2...-1,5

Как видно из представленных данных (рисунок 3) основным преимуществом Kool Мμ являются более низкие потери в сравнении с распыленным железом. Сердечники на основе материала Kool Мμ® обладают практически нулевой магнитострикцией и могут эксплуатироваться при температурах вплоть до 500°C, что соответствует температуре Кюри (таблица 1). Кроме того, сплав на основе Al, Si, Fe изготавливается без использования органических вяжущих компонентов, вследствие чего он не подвержен эффекту термического старения.

Рисунок 3 - Зависимость потерь в сердечнике от плотности магнитного потока для порошковых материалов (Kool Мμ® и распыленное железо)

Согласно данным, представленным на рисунке 4, можно отметить сравнительно близкие зависимости магнитной проницаемости материалов Kool Мμ® и распыленного железа от подмагничивания постоянным током. Наряду с подмагничиванием, вызванным постоянной составляющей тока, в дросселях импульсных регуляторов также протекает переменный ток. В диапазоне 10кГц-300кГц переменная составляющая может вызывать потери в сердечнике и его нагрев до температуры выше температуры Кюри. Выбор в качестве материала сердечника пермаллоя Kool Мμ® позволяет снизить влияние переменной составляющей и повысить эффективность работы дросселя.

Рисунок 4 - Зависимость магнитной проницаемости материалов Kool Мμ® (Magnetics) и распыленного железа от подмагничивания постоянным током

Как известно, для большинства моточных изделий характерно создание паразитных излучений, представляющих собой поля рассеивания [8]. В материалах с низким значением магнитной проницаемости этот эффект проявляется таким образом, что измеренная индукция - выше величины, рассчитанной по формуле 1, согласно заданным параметрами сердечника.

где L – индукция, мГн
μ – магнитная проницаемость сердечника
N – число витков
A_e – площадь эффективного сечения, мм²
I_e – длина магнитного пути, мм.

Кроме того, на эффект рассеяния также оказывают влияние количество витков, конструкция дросселя, размер и конфигурация сердечника. Так, например, в случае Е-образного магнитопровода с увеличением длины намотки магнитное рассеяние полей будет проявляться в меньшей степени в отличие от других технических исполнений. При определении необходимого количества витков, размера и конфигурации сердечника в ходе проектирования источников питания и других устройств часто возникает необходимость проведения соответствующих расчетов. Некоторые подходы определения параметров дросселя инверторного сварочного источника подробно описаны в литературе [9, 10].

Многие компании, выпускающие сердечники из порошковых материалов, наряду с технической документацией предлагают пользователям бесплатное программное обеспечение [9]. В качестве примера можно привести бесплатные программы, разработанные компанией Magnetics, позволяющие по известным параметрам осуществлять расчет дросселей источников питания. При определении размеров сердечника и количества витков также может быть использована следующая упрощенная методика [11]:

1)Расчет LI²,
где L - индуктивность при подмагничивании, вызванном постоянной составляющей тока (мГн),
I – постоянный ток (А)
2) Поиск соответствия расчетного значения LI² коду сердечника в таблице 2.

Таблица 2 – Соответствие расчетных данных коду сердечников из материала Kool Мμ® Magnetics [11]

Сердечники конфигурации Е	LI²
E5528	50-150
E5530	75-150
E6527	150-350
E8020	300-500
LE114	500-1600
LE114HT26	350-1300
LE130	1150-3500
LE160	1500-4500

3) После определения размера сердечника рассчитывается количество витков в следующей последовательности:
- Определение номинального значения коэффициента индуктивности (AL, нГн/виток²) из данных таблицы 3
- Определение отклонения в меньшую сторону от номинального значения коэффициента индуктивности (-8%) A_Lmin
- Расчет количества витков по формуле:

где L – минимальная индуктивность, мкГн;
A_Lmin – минимальное значение коэффициента индуктивности, нГн/виток².
- Расчет силы намагничивания (H) согласно выражению [3]:

где N – число витков;
I – сила тока, А;
Le – длина линии магнитной индукции, см.
- Определение падения µ относительно начальной магнитной проницаемости для рассчитанного подмагничивания постоянным током (рисунок 5).
- Увеличение числа витков путем деления определенного ранее количества витков (формула 2) на долю смещения в меньшую сторону магнитной проницаемости позволит получить величину магнитной индукции, близкой к требуемым значениям. При необходимости расчеты повторяются.

Рисунок 5 - Функциональная зависимость магнитной проницаемости от подмагничивания постоянным током для материала Kool Mμ®[11]

Таким образом, были рассмотрены основные характеристики пермаллоя Kool Мμ® фирмы Magnetics и особенности применения конфигурации Е в инверторных источниках тока сварочных аппаратов. Представлены сопоставительные данные по свойствам порошковых материалов, таких как Kool Мμ® и распыленное железо. Отмечено, что магнитопроводы на основе пермаллоя Kool Мμ® обладают меньшими потерями в сравнении с распыленным железом (Iron Powder). Применение сердечников конфигурации Е с распределенным зазором в выходных дросселях ИИСТ позволяет не только снизить габаритные размеры и повысить надежность готового изделия, но и снизить интенсивность полей рассеивания.

Таблица 3 – Характеристика Е-образных сердечников фирмы Magnetics [11]

Литература
1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – 10-е изд., перераб. и доп. – – М.: Гардарики, 2002. – 638 с.
2. Мишин Д.Д. Магнитные материалы, Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1991. 384 с.
3. http://www.mag-inc.com/products/powder-cores/kool-mu/large-kool-mu-core-shapes
4. С. Петров. Сварочный инвертор начального уровня: пример разработки/ Силовая Электроника.2010 - №5 – С. 82-89
5. С. Петров. Схемотехника промышленных сварочных инверторов/ Современная электроника. 2007 - №8 – С.42-47.
6. Michael W. Leakage flux considerations on kool mμ “E” cores. Bulletin No. KMC-E2
7.Володин В.Я. Моделирование индуктивностей с порошковыми сердечниками при помощи симулятора LTspice. Журнал Силовая электроника - 2010 г. - №2. - С.84-90.
8. В.В. Шкоркин, Ю.М. Казанцев. Cнижение помехоэмиссии силовых дросселей тороидальной конструкции/ Известия Томского политехнического университета. 2010. - Т. 316. № 4. – C.107-110.
9. Володин В.Я. Бесплатные версии программ расчета дросселя с порошковым сердечником/Силовая электроника. 2010 - №3. – С.92-99.
10. Володин В.Я. Инверторный источник сварочного тока. Опыт ремонта и расчёт электромагнитных элементов. Журнал Радио №8, 9, 10 за 2003 год.
11. http://www.mag-inc.com/products/powder-cores/kool-mu/large-kool-mu-core-shapes