2015-05-10
731
Диамагнетики - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков
km= -(10-6 - 10-7), 
<1
km - слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.
Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А3В5, А2В6, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.
Парамагнетики - вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамгнетиков
km>0, >1
km парамагнетиков в большинстве случаев меньше зависит от температуры. При комнатной температуре km = 10-6 - 10-3.
Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.
Ферромагнетики - вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. km ферромагнетиков (также как и ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo5, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr).
Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков km=10-3-10-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).
Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl2, FeF2, CuCl2, MnO, FeO, NiO.
Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.
К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe2O3, BaO*6Fe2O3, (NiO*ZnO)Fe2O3, Li2O*Fe2O3 и другие.
Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.
Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором, углеродом, кремнием или фосфором.
Спиновые магнитные стекла. Это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов.
Упрощенная методика расчета сетевого трансформатора
Целью расчета является получение заданных выходных параметров трансформатора (для сети с частотой 50 Гц) при его минимальных габаритах и массе.
Расчет трансформатора целесообразно начать с выбора магнитопровода, т. е. определения его конфигурации и геометрических размеров.
Наиболее широко распространены три вида конструкции магнитопроводов, приведенные на рис.
Рис. 1. Конструкции магнитопроводов трансформаторов:
а) броневого пластинчатого; б) броневого ленточного; в) кольцевого ленточного
Для малых мощностей, от единиц до десятков Вт, наиболее удобны броневые трансформаторы. Они имеют один каркас с обмотками и просты в изготовлении.
Трансформатор с кольцевым сердечником (тороидальный) может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, тороидальные являются вместе с тем и наименее технологичными (удобными) в изготовлении.
Исходными начальными данными для упрощенного расчета являются:
- напряжение первичной обмотки Ui;
- напряжение вторичной обмотки Uz;
- ток вторичной обмотки l2;
- мощность вторичной обмотки Р2 = I2 * U2 = Рвых
Если обмоток много, то мощность, отдаваемая трансформатором, определяется суммой всех мощностей вторичных обмоток (Рвых).
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
Размеры магнитопровода выбранной конструкции, необходимые для получения от трансформаторов заданной мощности, могут быть найдены на основании выражения:
, где:
Sст- сечение стали магнитопровода в месте расположения катушки;
Sок - площадь окна в магнитопроводе;
Вмах- магнитная индукция, см. табл. 1;
J - плотность тока, см. табл. 2;
Кок - коэффициент заполнения окна, см. табл. 3;
Кст - коэффициент заполнения магнитопровода сталью, см. табл. 4;
Величины электромагнитных нагрузок Вмах и J зависят от мощности, снимаемой со вторичной обмотки цепи трансформатора, и берутся для расчетов из таблиц 1 и 2.
Таблица 1
| Конструкция магнитопровода | Магнитная индукция Вмах, [Тл] при Рвых, [Вт] | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Броневая (пластинчатая) | 1,1-1,3 | 1,3 | 1,3-1,35 | 1,35 | 1,35-1,2 |
| Броневая (ленточная) | 1,55 | 1,65 | 1,65 | 1,65 | 1,65 |
| Кольцевая | 1,7 | 1,7 | 1,7 | 1,65 | 1,6 |
Таблица 2
| Конструкция магнитопровода | Плотность тока J, [а/мм кв.] при Рвых, [Вт] | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| Броневая (пластинчатая) | 3,9-3,0 | 3,0-2,4 | 2,4-2,0 | 2,0-1,7 | 1,7-1,4 |
| Броневая (ленточная) | 3,8-3,5 | 3,5-2,7 | 2,7-2,4 | 2,4-2,3 | 2,3-1,8 |
| Кольцевая | 5-4,5 | 4,5-3,5 | 3,5 | 3,0 |
Коэффициент заполнения окна Кок приведен в таблице 3 для обмоток, выполненных проводом круглого сечения с эмалевой изоляцией.
Коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью Кст зависит от толщины стали, конструкции магнитопровода (пластинчатая, ленточная) и способа изоляции пластин или лент друг от друга. Величина коэффициента Кст для наиболее часто используемой толщины пластин может быть найдена из таблицы 4
Таблица 3
| Конструкция магнитопровода | Рабочее напряж. [В] | Коэффициент заполнения окна Кок при Рвых, [Вт] | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | ||
| Броневая (пластинчатая) | до 100 | 0,22-0,29 | 0,29-0,30 | 0,30-0,32 | 0,32-0,34 | 0,34-0,38 |
| 100-1000 | 0,19-0,25 | 0,25-0,26 | 0,26-0,27 | 0,27-0,30 | 0,30-0,33 | |
| Броневая (ленточная) | до 100 | 0,15-0,27 | 0,27-0,29 | 0,29-0,32 | 0,32-0,34 | 0,34-0,38 |
| 100-1000 | 0,13-0,23 | 0,23-0,26 | 0,26-0,27 | 0,27-0,30 | 0,30-0,33 | |
| Кольцевая | - | 0,18-0,20 | 0,20-0,26 | 0,26-0,27 | 0,27-0,28 |
Таблица 4
| Конструкция магнитопровода | Коэффициент заполнения Кст при толщине стали, мм | ||||
| 0,08 | 0,1 | 0,15 | 0,2 | 0,35 | |
| Броневая (пластинчатая) | - | 0,7(0,75) | - | 0,85 (0,89) | 0,9 (0,95) |
| Броневая (ленточная) | 0,87 | - | 0,90 | 0,91 | 0,93 |
| Кольцевая | 0,85 | 0,88 |
Примечание:
1. Коэффициенты заполнения для пластинчатых сердечников указаны в скобках при изоляции пластин лаком или фосфатной пленкой.
2. Коэффициент заполнения для ленточных магнитопроводов указаны при изготовлении их методом штамповки и гибки ленты.
Определив величину Sст*Sок, можно выбрать необходимый линейный размер магнитопровода, имеющий соотношение площадей не менее, чем получено в результате расчета.
Величину номинального тока первичной обмотки находим по формуле:
, где величина h и COS j трансформатора, входящие в выражение, зависят от мощности трансформатора и могут быть ориентировочно определены по таблице 5.
Таблица 5
| Величина | Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, [Вт] | ||||
| 2-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| h броневой ленточный | 0,5-0,6 | 0,6-0,8 | 0,8-0,9 | 0,90-0,93 | 0,93-0,95 |
| 0,76-8,88 | 0,88-0,92 | 0,92-0,95 | 0,95-0,96 | ||
| COS j | 0,85-0,90 | 0,90-0,93 | 0,93-0,95 | 0,95-0,93 | 0,93-0,94 |
Токи вторичных обмоток обычно заданы. Теперь можно определить диаметр проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции. Сечение провода в обмотке: Snp = I/J, диаметр
Определяем число витков в обмотках трансформатора:
,где n - номер обмотки,
аU - падение напряжения в обмотках, выраженное в процентах от номинального значения, см. таблицы 6 и 7. Следует отметить, что данные для -U, приведенные в таблице 6, для многообмоточных трансформаторов требуют уточнения. Рекомендуется принимать значения аU для обмоток, расположенных непосредственно на первичной обмотке на 10...20% меньше, а для наружных обмоток на 10...20% больше указанных в таблице.
В тороидальных трансформаторах относительная величина полного падения напряжения в обмотках значительно меньше по сравнению с броневыми трансформаторами. Это следует учитывать при определении числа витков обмоток - значения аU берутся из таблицы 7.
Таблица 6
| Конструкция броневая, величина аU | Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, Вт | ||||
| 5-15 | 15-50 | 50-150 | 150-300 | 300-1000 | |
| аU1 | 20-13 | 13-6 | 6-4.5 | 4,5-3 | 3-1 |
| аU2 | 25-18 | 18-10 | 10-8 | 8-6 | 6-2 |
Таблица 7
| Конструкция кольцевая, величина аU | Суммарная мощность вторичных обмоток Рвых, Вт | ||||
| 8-25 | 25-60 | 60-125 | 125-250 | 250-600 | |
| аU1 | 3,5 | 2,5 | |||
| аU2 | 3.5 | 2.5 |
Пример расчета сетевого тороидального трансформатора
Исходные данные:
Входное напряжение U1 = 220 В
Выходное напряжение U2 = 22 В
Максимальный ток нагрузки I2 = 10 А
Мощность вторичной цепи определяем из формулы:
P2 = U2 * l2 =220 Вт
Имеется кольцевой ленточный магнитопровод с размерами: в = 4 см, с = 7,5 см, а = 2 см (рис. 7.17в). Sок = pЧ R2 = 3,14 Ч 3,752 = 44,1 кв. см; Sст = а Ч в = 2 Ч 4 = 8 кв. см
