[AndreyVN 0]

Всем привет!

 

Кто знает, зачем в катушках накапливающих энергию для DC-DC преобразователей

делают зазор (air gap)?

 

Индуктивность уменщается, значит и накопленная энергия уменьшается, а что улучшается???

[Mc_off 0]

Всем привет!

 

Кто знает, зачем в катушках накапливающих энергию для DC-DC преобразователей

делают зазор (air gap)?

 

Индуктивность уменщается, значит и накопленная энергия уменьшается, а что улучшается???

 

поисковики не запрещены к использованию.

Четвёртая ссылка в яндексе по запросу "Зазор в сердечнике" http://www.atomlink.ru/~slash/st8.html ... почитайте.

Изменено 20 декабря, 2008 пользователем Mc_off

[FormatCft 0]

Всем привет!

 

Кто знает, зачем в катушках накапливающих энергию для DC-DC преобразователей

делают зазор (air gap)?

 

Индуктивность уменщается, значит и накопленная энергия уменьшается, а что улучшается???

если в катушку закачать энергию и вдруг выдрать её из цепи, то на концах этой катушки может быть сколь угодно большое напряжение. Может поэтому.

[Baser 5]

Кто знает, зачем в катушках накапливающих энергию для DC-DC преобразователей делают зазор (air gap)?

Знает любая статья по теории DC-DC преобразователей.

Зазор нужен в любом силовом индуктивном элементе, который работает при наличии постоянной составляющей (напр.: LC-фильтры по питанию, Flyback-преобразователи...) для исключения насыщения материала сердечника.

 

Вот ссылка на оригинал статьи Алексея Кузнецова (=AK=), той что в посте Mc_off

ТРАНСФОРМАТОРЫ И ДРОССЕЛИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В качестве вводной статьи для начинающих, и для тех, кто "знал да забыл" (как я недавно :) ), - очень неплохая статья с примерами расчетов.

[Microwatt 2]

Всем привет!

 

Кто знает, зачем в катушках накапливающих энергию для DC-DC преобразователей

делают зазор (air gap)?

 

Индуктивность уменщается, значит и накопленная энергия уменьшается, а что улучшается???

Это хорошо расписано в справочнике молодого электрика для советских ПТУ.

Попробуем на пальцах пересказать....

Можно катушку намотать без сердечника вообще. И работать будет. Но размеры ее будут большими. Поле вокруг катушки будет торчать во все стороны аж до орбиты Марса. Вставляя сердечник из ферромагнитного материала мы создаем для магнитных силовых линий намного более удобный путь, чем через воздух.

Но, если сердечник замкнут, то это то же самое, что короткозамкнутая медная цепь для обычного тока. Сердечник быстро насыщается и, по сути, превращается в тот же воздух (по магнитным свойствам, конечно). Если мы вводим небольшой зазор, то практически вся энергия магнитного поля сосредотачивается и запасается в этом узком зазоре, не выпирая во все стороны в пространство. И может быть возвращена в обмотку в виде тока, вызванного ЭДС самоиндукции при отключении катушки от внешнего источника.

Ваш вопрос "а что улучшается" прямого ответа не имеет. Зазор не улучшает работу, а просто необходим для работы магнитного накопителя. Без него не обойтись. Хотя, введение зазора, конечно, увеличивает требуемое количество витков для получения заданной индуктивности. Проницаемость сердечника уменьшается пропорционально отношению длины зазора к длине средней магнитной линии сердечника. В больших сердечниках и зазор, соответственно, может быть больше.

Малый зазор трудно выполнить стабильным коструктивно, большой - сильно снижает начальную индуктивность. Ищут компромисс, не допуская насыщения сердечника или больших индукций при рабочих токах.

Сердечники без зазора используют в трансформаторах с прямой передачей энергии между первичной и вторичной обмотками. В таком идеальном трансформаторе нет процесса накопления энергии и магнитный поток в сердечнике равен нулю. Так, например, работает привычный нам трансформатор на железе 50гЦ.

[SSerge 4]

Вы не поверите, но именно в зазоре-то энергия и запасается.

К сожалению медь - недостаточно хороший проводник электричества, приходится извращаться с ферромагнитными сердечниками, их применения позволяет уменьшить потери в меди.

Сверхпроводимость - пока слишком сложно, но уже применяют местами.

[motoprogger 0]

Когда-то я на основе знаний физики уровня первого-второго курса нефизического факультетв задался такой задачей: сколько энергии может быть запасено в магнитном поле кольцевого сердечника, если его сечение

одинаково по всей длине, известны индукция насыщения Bн, эквивалентная длина силовой магнитной линии l, площадь S и магнитная проницаемость u.

Циркуляция вектора магнитного потока по замкнутому контуру, равна, как известно, равна алгебраической сумме токов, пересекающих площадь, охватываемую этим контуром. Выберем контур по средней окружности сердечника (длины l), тогда алгебраическая сумма токов через него составит In, где n - число витков в обмотке. Напряжённость магнитного поля в описанных условиях считаем одинаковой по модулю во всех точках сердечника и направленной по касательной к окружности с центром в центре сердечника, тогда H=In/l и B=u0uH; принимая B=Bн, выразим из последнего выражения H: H=Bн/u0u. Объёмная плотность энергии магнитного поля составляет w=u0uH^2/2=Bн^2/(2u0u), а энергия магнитного поля - W=wSl=Bн^2*Sl/(2u0u).

Теперь предположим, в кольце есть немагнитный зазор, выполненный по радиусу, и ширина зазора lз пренебрежимо мала по сравнению с линейными размерами сечения. Как известно, на границе двух магнетиков отношение нормальных составляющих напряжённости магнитного поля обратно отношению магнитных проницаемостей, то есть, в зазоре напряжённость магнитного поля в u раз больше, и энергия магнитного поля теперь составляет W=(Bн^2*S/2)*((l-lз)/(u0u)+lз/u0) - заведомо больше, чем в случае сплошного кольца. С другой стороны, циркуляция вектора напряжённости магнитного поля в первом случае равна Bнl/(u0u), а во втором - Bн((l-lз)/(u0u)+lз/u0) - то есть, её достижение во втором случае потребует большего числа ампервитков

Вывод: зазор позволяет увеличить энергию, запасаемую в магнитной системе катушки, за счёт увеличения числа ампервитков.

[NicSm 0]

если в катушку закачать энергию и вдруг выдрать её из цепи, то на концах этой катушки может быть сколь угодно большое напряжение. Может поэтому.

Ну и что что он бесконечно большое? Эт как то фиолетова

 

Вы не поверите, но именно в зазоре-то энергия и запасается.

К сожалению медь - недостаточно хороший проводник электричества, приходится извращаться с ферромагнитными сердечниками, их применения позволяет уменьшить потери в меди.

Сверхпроводимость - пока слишком сложно, но уже применяют местами.

 

Большой секрет в том что эергия накапливается не только в зазоре но и даже в магнитопроводе.

 

Плюс зазора в том что он не дает магнитопроводу входить в насыщение. Запомните это. Насыщение магнитопровода для многих электронных устройств это смерть.

[Microwatt 2]

Плюс зазора в том что он не дает магнитопроводу входить в насыщение. Запомните это. Насыщение магнитопровода для многих электронных устройств это смерть.

Да. Еще заметим, что нет такого тока (ампервитков) при котором бы сердечник не насытился даже с зазором. Просто, чем больше зазор, тем позже это наступит. А насыщаются при определенном токе даже совсем разомкнутые цепи вроде ферритового стержня или гантели. Там зазор равен длине стержня.

[AndreyVN 0]

Давайте по порядку…

 

Mc_off:

Четвёртая ссылка в яндексе по запросу "Зазор в сердечнике" http://www.atomlink.ru/~slash/st8.html ... почитайте.

 

Почитал. Статья хороша для практических целей, но физики процесса в ней нет.

Например, "При увеличении зазора эффект получается такой же, как если бы магнитная проницаемость материала сердечника уменьшалась."

 

То есть, берем сердечник с низкой проницаемостью и никаких зазоров.

 

FormatCft:

если в катушку закачать энергию и вдруг выдрать её из цепи, то на концах этой катушки может быть сколь угодно большое напряжение. Может поэтому.

Это при бесконечном сопротивлении в цепи.

 

Baser

для исключения насыщения материала сердечника.

Намотать меньше витков не решение?

 

Microwatt

Но, если сердечник замкнут, то это то же самое, что короткозамкнутая медная цепь для обычного тока.

Если сердечник замкнут - больше индуктивность и тем медленнее будет нарастать ток.

 

Ваш вопрос "а что улучшается" прямого ответа не имеет.

:) Я подозреваю, что зазор влияет на динамические свойства L(t), I(t).

 

SSerge

Вы не поверите, но именно в зазоре-то энергия и запасается.

Конечно не поверю. Я вообще "словам не верю".

А если Вы уверены в своей правоте - сделайте зазор в обычном (50Гц) трансформаторе.

 

W~1/2*L*I^2 Это никто не отменял. При намагничивании ток совершает работу по ориентации доменных структур ферромагнетика. Больше ферромагнитка, больше проницаемость - большая энергия запасена в дросселе.

 

...с ферромагнитными сердечниками, их применения позволяет уменьшить потери в меди.

No comment. Оказывается, боремся с сопротивлением меди. :(

 

motoprogger

Циркуляция вектора магнитного потока по замкнутому контуру, равна, как известно, равна алгебраической сумме токов

Контурный интеграл от напряженности поля равен сумме токов. Циркуляция это обычно ротор.

в зазоре напряжённость магнитного поля в u раз больше,

Зато в интеграле для энергии проницаемость пропадает. Далее, условие u1*H1=u2*H2 справедливо только на границе, дальше поле убывает и вылезает за границы щели, где и надо взять интеграл от квадрата напряженности поля. А Вы считаете, что граничное условие справедливо во всем объеме.

 

Зазор должен влиять на динамику системы, причем нетривиально.

[Baser 5]

Почитал. Статья хороша для практических целей, но физики процесса в ней нет.

Описание физики процесса в этой статье действительно нет. Но есть формулы, по которым можно проанализировать, как немагнитный зазор влияет на остальные параметры индуктивного элемента.

 

Например, "При увеличении зазора эффект получается такой же, как если бы магнитная проницаемость материала сердечника уменьшалась."

То есть, берем сердечник с низкой проницаемостью и никаких зазоров.

Вы совершенно правы, так тоже поступают. Сейчас популярно порошковое железо (powder iron), которое и обладает такими свойствами. В статье об этом говорится.

 

Baser

для исключения насыщения материала сердечника.

Намотать меньше витков не решение?

Опять же порекомендую внимательней читать рекомендуемые ссылки :)

В разделе "НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА" даже приведен числовой пример, который иллюстрирует формулы и показывает, что для одного сердечника, для заданной индуктивности, добавление зазора увеличивает максимальный рабочий ток.

[SSerge 4]

Конечно не поверю. Я вообще "словам не верю".

А если Вы уверены в своей правоте - сделайте зазор в обычном (50Гц) трансформаторе.

 

W~1/2*L*I^2 Это никто не отменял. При намагничивании ток совершает работу по ориентации доменных структур ферромагнетика. Больше ферромагнитка, больше проницаемость - большая энергия запасена в дросселе.

:)

Давайте-ка для начала определим поточнее - чего хотим добиться?

1. Спроектировать дроссель, запасающий вполне определённое количество энергии при минимальном объёме?

или 2. при минимальной стоимости?

или 3. при заданном объёме максимальное количество энергии?

 

Если не задаваться вопросами стоимости и технологичности то можно свести дело к достижению максимальной плотности энергии магнитного поля. В системе СИ это будет BH/2 (Джоулей на кубический метр).

 

Казалось бы, чем больше мю, тем больше B при том-же самом H, а если ещё и количество витков увеличить, то и H увеличится, и B вместе с ним, здорово!

Где же предел этому великолепию? К сожалению у ферромагнетиков есть такая штука как насыщение. Поэтому величина B, которую мы можем получить ограничена, назовём её Bs.

Таким образом максимальная плотность энергии получается тоже ограничена w=Bs H/2 = Bs^2/(2*мю*мю0). Более того, у разных сортов ферритов Bs у всех примерно одинакова: 0.3..0.5 Тл. Примерно так-же получается и с трансформаторным железом, только Bs порядка 1.5 Тл.

 

Это что же такое получается? Чем больше мю феррита, тем меньше энергии в нём можно запасти - утверждение в точности противоположное предыдущему.

Увы, это так. Именно поэтому в трансформаторах, где запасать энергию не надо, стараются применять материалы с большим мю и не делают зазоров.

 

Ну, раз такое дело, пойдём дальше, будем уменьшать мю пока не дойдём до 1. При той-же самой Bs энергия всё больше и больше! Замечательно! Правда при этом приходится (чтобы сохранить Bs) мотать всё больше и больше витков.

Дойдя до мю=1 замечаем что теперь сердечник нас уже не ограничивает, его уже нет. Теперь можно и B тоже повышать, воздух и гораздо бОльшие поля стерпит. Зачем себя ограничивать какими-то 0.3 Тл, сделаем сразу 10Тл, ещё в 1000 раз больше энергии запасём! Воздух лучший материал для сердечников дросселей!

 

Если Вы уже запутались в этих выкладках, значит я своего добился. :)

К сожалению и на этом пути есть препятствия. Приходится мотать всё больше и больше витков, а объём для обмотки тоже ограничен, да и медь, в отличие от воздуха не бесплатна. К тому-же обмотка начинает весьма ощутимо греться. Для соленоида с полем 10-15Тл внутри охлаждение обмотки - главная проблема при проектировании. Но такой соленоид именно как накопитель энергии никому не нужен - он эту энергию не столько накапливает, сколько транжирит в виде тепла.

 

Как видите проводимость меди всё-таки причём.

Очевидно, где-то есть оптимум. В зависимости от прочих обстоятельств это может быть или материал с неким оптимальным мю, или феррит/железо/пермаллой с зазором, или катушка без сердечника.

 

No comment. Оказывается, боремся с сопротивлением меди. :(

Дык. и не только.

С электромагнитами и двигателями та-же фигня. С точки зрения физики всё упирается в Bs и потери на перемагничивание в железе и потери в меди.

 

P.S. Число пи прямо пропорционально длине окружности и обратно пропорционально диаметру.

[Microwatt 2]

Давайте по порядку…

То есть, берем сердечник с низкой проницаемостью и никаких зазоров.

Намотать меньше витков не решение?

Если сердечник замкнут - больше индуктивность и тем медленнее будет нарастать ток.

:) Я подозреваю, что зазор влияет на динамические свойства L(t), I(t).

Конечно не поверю. Я вообще "словам не верю".

А если Вы уверены в своей правоте - сделайте зазор в обычном (50Гц) трансформаторе.

 

W~1/2*L*I^2 Это никто не отменял. При намагничивании ток совершает работу по ориентации доменных структур ферромагнетика. Больше ферромагнитка, больше проницаемость - большая энергия запасена в дросселе.

Контурный интеграл от напряженности поля равен сумме токов. Циркуляция это обычно ротор.

Зато в интеграле для энергии проницаемость пропадает. Далее, условие u1*H1=u2*H2 справедливо только на границе, дальше поле убывает и вылезает за границы щели, где и надо взять интеграл от квадрата напряженности поля. А Вы считаете, что граничное условие справедливо во всем объеме.

Зазор должен влиять на динамику системы, причем нетривиально.

Видно птицу по полету..... Вы сильно успели заразиться "меловой" физикой, где у слона есть крылья, но они равны нулю.

Во-первых, физическая сущность процессов, происходящих в трансформаторе и в дросселе кардинально отличаются. В трансформаторе магнитный поток равен нулю. Энергия в нем не запасается.

Во-вторых, то, что Вы упоминаете о доменах и работе по их ориентации - скорее вредный эффект, приводящий только к разогреву сердечника. В дросселе практически вся энергия запасается В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ, а не в "подпружиненных полем" доменах. То, что Вы упомянули о вылезании за границы щели (краевой эффект) существует, но влияние его на общую картину - не более нескольких процентов, в зависимости от формы сердечника.

В-третьих, "больше ферромагнетика" - чисто конструктивные условия. Если бы мы могли эффективно отводить тепло от обмоток, то на копеечном колечке можно было бы намотать киловаттный трансформатор 50Гц. Размеры сердечника в трансформаторе определяются ТОЛЬКО конструктивным сечением окна для размещения меди при заданной плотности тока. Кто захочет с этим инстинктивно поспорить - не спешите. В дросселе практически то же самое. Мы не должны превышать предельную индукцию ферромагнетика. А для большинства ферритов это всего 0.11-0.15Тл в одну сторону. другими словами, плотность магнитных линий в сечении зазора имеет предел. Хотите запасти энергии больше - увеличивайте площадь зазора (т.е. сечение сердечника).

В-четвертых. Расстаньтесь на год-два с роторами, дивиргенциями, контурными интегралами. Помотайте реальные дроссели. После сотни-другой разных конструкций Вы будете ВИДЕТЬ магнитное поле вокруг любой обмотки без всяких тройных интегралов.

Для разминки. Спросите также у себя почему обычно трансформатор требует индуктивности на порядок больше, чем дроссель при той же частоте и напряжении. Вроде же ото W=1/2 (L*I^2) обязано работать везде одинаково?

Изменено 21 декабря, 2008 пользователем Microwatt

[alexkok 0]

Почитал. Статья хороша для практических целей, но физики процесса в ней нет.

Например, "При увеличении зазора эффект получается такой же, как если бы магнитная проницаемость материала сердечника уменьшалась."

 

То есть, берем сердечник с низкой проницаемостью и никаких зазоров.

Абсолютно правильно.

Все дело в том что мощность и энергия растут пропоционально квадрату тока, а магнитная индукция - пропорционально току.

А эффективная проницаемость для больших достаточно зазоров и проницаемостей сердечников грубо равна отношению длины средней линии сердечника к длине зазора.

Так что без сердечника можно получить максимально возможную мощность.

[Microwatt 2]

Абсолютно правильно.

Так что без сердечника можно получить максимально возможную мощность.

Да, по теории вроде все так. Но не так на практике.

Где кто видел силовое моточное без сердечника?

Габариты и стоимость такой детальки были бы больше самого источника. Хотя, индукция могла бы быть много тесла. Такие катушки делают физики, когда шутят с магнитными полями большой напряженности. Далее все ограничивается только механической прочностью меди.