Общая характеристика нелинейных индуктивных элементов

Под нелинейными индуктивными элементами понимают индуктивные катушки (индуктивности) с обмотками, намотанными на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала, для которых зависимость магнитного потока в сердечнике от протекающего по обмотке тока нелинейна. Индуктивное сопротивление таких катушек, оказываемое прохождению переменного тока, не постоянно; оно зависит от значения переменного тока. Условимся называть их нелинейными индуктивными катушками или нелинейными индуктивностями.

Нелинейные индуктивности подразделяют на управляемые и неуправляемые, но деление на безынерционные и инерционные на них не распространяется, так как их нелинейность обусловлена свойствами ферромагнитного материала, а не тепловым эффектом.

На электрических схемах нелинейную индуктивную катушку изображают в виде замкнутого сердечника с обмоткой (рис. 15.1, а) или как показано на рис. 15.1, б.

Рис. 15.1.

Сердечники нелинейных индуктивных катушек при относительно низких частотах делают обычно двух типов: пакетные и спиральные.

Пакетные сердечники состоят из тонких пластин ферромагнитного материала кольцевой, Пили Ш-образной формы.

Спиральные сердечники изготовляют из тонкой ферромагнитной ленты. По форме они напоминают туго навитую часовую пружину.

Пластины пакетного и отдельные витки спирального сердечников изолируют друг от друга эмалевым лаком, жидким стеклом или какимлибо иным изолирующим составом и запекают. Изоляция необходима для уменьшения потерь энергии в сердечнике от вихревых токов (см. параграф 15.4).

При высоких частотах резко возрастают потери в листовых сердечниках, поэтому сердечники, предназначенные для работы на высоких частотах, выполняют обычно из магнитомягкого феррита.

Потери в сердечниках нелинейных индуктивных катушек, обусловленные вихревыми токами

Если по индуктивной катушке со стальным сердечником проходит переменный ток, то в сердечнике возникает переменный магнитный поток, под действием которого в листах сердечника образуются вихревые токи. На рис. 15.2 изображен один лист сердечника. Пусть магнитный поток, увеличиваясь, направлен вверх (вдоль листа). В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Эта ЭДС вызывает в нем ток, который называют вихревым. Контур, по которому замыкается вихревой ток, изображен штриховой линией на рис. 15.2. Вихревые токи по закону Ленца стремятся создать поток, встречный по отношению к вызвавшему их потоку.

Потери энергии в листе на вихревые токи пропорциональны квадрату наведенной в контурах листа ЭДС и обратно пропорциональны сопротивлению контуров.

ЭДС, наводимые в контурах, по которым замыкаются вихревые токи, при заданной ширине листа Ь пропорциональны толщине листа а, амплитудному значению индукции и частоте. В свою очередь, сопротивление контура пропорционально его периметру и удельному сопротивлению. При b «а периметр контура почти не зависит от толщины листа. Поэтому потери энергии на вихревые токи пропорциональны квадрату амплитудного значения индукции, квадрату частоты и квадрату толщины листа.

Рис. 15.2.

Уменьшить потери в листовом сердечнике на вихревые токи можно двумя путями:

• 1) изготовлением сердечника из тонких изолированных друг от друга листов (см. параграф 15.3);
• 2) добавлением в ферромагнитный материал примесей, увеличивающих его удельное сопротивление.

При частоте 50 Гц толщина листов обычно 0,35—0,5 мм; при высоких частотах — до 0,005 мм.

Кроме потерь от вихревых токов в сердечнике есть еще потери, обусловленные гистерезисом и магнитной вязкостью.