Выбор и обоснование ферромагнитного материала сердечника

При выборе типа и марки материала сердечника необходимо учитывать частоту питающего напряжения, назначение ТП и ограничения по технико-экономическим показателям. Основными требованиями, предъявляемыми к ферромагнитным материалам для сердечников ТП, являются: высокая индукция насыщения, низкие удельные потери, высокая магнитная проницаемость, недефицитность и относительно низкая стоимость.

В области низких и средних частот (от 50 Гц до нескольких кГц) наиболее полно этим требованиям соответствуют электротехнические стали – это технически чистое железо, легированное кремнием.

Классификация и маркировка электротехнических сталей, изготавливаемых в виде рулонов, листов и ленты, устанавливается ГОСТ 21427.0 – 75. В обозначении марок сталей установлена следующая кодировка:

· 1-я циф­ра – класс по структурному состоянию и вид прокатки: (1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотроп­ная с ребристой текстурой, 5 – холоднокатаная изотроп­ная с плоской кубической текстурой);

· 2-я цифра – содержание кремния (0 – с содержанием кремния до 0,4 % – нелегированная, 1 – 0,4…0,8 %; 2 – 0,8…1,8 %; 3 – 1,8…2,8 %; 4 – 2,8…3,8 %; 5 – 3,8…4,8 %).;

· 3-я цифра – группа по основной нормируемой характеристике – удельным потерям (0 – при магнитной индукции B = 1,7 Тл и частоте f = 50 Гц; 1 – при B = 1,5 Тл и f = 50 Гц; 2 – при B = 1 Тл и f = 400 Гц; 4 – при B = 0,5 Тл и f = 3000 Гц);

· 4-я цифра – порядковый номер типа стали.

Три первые цифры марки стали вместе обозначают тип стали, например, 141, 151, 341, 342, и т.д.

Отечественной промышленностью выпускается достаточно большое количество типов сталей [7-9]. Для изготовления магнитопроводов для ТММ промышленной частоты (50 Гц) рекомендуется использовать стали типов 141, 151, 341, то есть горячекатаные изотропные стали марок 1411-1413, 1511-1514 ГОСТ 21427.3-75 и холоднокатаные анизотроп­ные (текстурованные) стали марок 3411-3415 ГОСТ 21427.4-78 с толщиной листа/ленты 0,35 мм. Основные технические характеристики этих сталей приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Рекомендуемые марки электротехнических

сталей для ТММ промышленной частоты 50 Гц

В настоящее время в ТММ наиболее широко используются холоднокатаные анизотропные (текстурованные) стали, которые имеют в направлении прокатки более высокую допустимую магнитную индукцию, что позволяет уменьшать габариты и массу сердечников, а, следовательно, и трансформатора в целом. В свою очередь, с увеличением содержания кремния улучшаются магнитные свойства стали – повышается магнитная проницаемость, уменьшаются удельные потери. Сравнительный анализ магнитных свойств горячекатаных сталей типа 141 и 151 и холоднокатаных сталей типа 341 показывает, что последние имеют существенно бòльшую индукцию насыщения и гораздо меньшие удельные потери. Более того, даже при ограничениях по стоимости ТММ с ленточными сердечниками в большинстве случаев оказываются дешевле шихтованных, так как более дорогая стоимость холоднокатаных сталей окупается с лихвой уменьшением массы сердечника и катушки и повышением технологичности сборки трансформаторов.

Для ТММ повышенной частоты 400 Гц и выше наиболее рационально использовать холоднокатаные текстурованные стали марок 3421-3425 ГОСТ 21427.4-78 с толщиной ленты 0,15 мм, которые обладают высокой допустимой рабочей индукцией, малыми удельными потерями и невысокой стоимостью. Основные магнитные свойства этих сталей приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Рекомендуемые марки магнитных

материалов для ТММ повышенной частоты

В области повышенных частот( 1…5 кГц) электротехническим сталям могут составить конкуренцию железо-никелевые и железо-кобальтовые сплавы (пермаллои и пермендюры). В таблице 2.3 приведены характеристики железо-кобальтового сплава марки 49К2ФА ГОСТ 10160-75 и железо-никелевого сплава 50Н ГОСТ 10160-75, электромагнитные свойства которых наиболее полно отвечают приведенным выше требованиям к ферромагнитным материалам ТММ. Однако они слишком дороги (на 1…2 порядка дороже электротехнических сталей) и дефицитны. К тому же, свойства пермаллоев очень чувствительны к механическим воздействиям. Поэтому в трансформаторах питания сплавы используются только в спецаппаратуре при очень жестких ограничениях по массогабаритным показателям, когда электротехнические стали не удовлетворяют требованиям ТЗ.

Марка стали и толщина магнитного материала (ленты) выбираются в зависимости частоты питающего напряжения. Чем больше порядковый номер типа стали, тем больше индукция насыщения и меньше удельные потери и чем меньше толщина ленты, тем меньше удельные потери. Однако, необходимо учитывать то, что цена сталей увеличивается с увеличением порядкового номера типа стали и существенно увеличивается с уменьшением толщины ленты. Например, в 1970-ые годы сталь 3411- 0,35 мм стоила около 0,6 руб/кг, а сталь 3414 - 0,35 мм – около 0,8 руб/кг; сталь 3421 толщиной 0,15 мм стоила около 2 руб/кг, а та же сталь толщиной 0,08 мм – около 3 руб/кг [4, 8].

Высокочастотные ТП (f > 5 кГц) реализуются, как правило, на кольцевых прессованных сердечниках (рисунок 2.4) из ферритов и магнитодиэлектриков. Значительно реже используются Ш-образные, П-образные или броневые сердечники.

Ферриты относятся к полупроводникам и имеют высокое удельное сопротивление – в 50 и более раз выше, чем у электротехнических сталей, что позволяет использовать их в сильных высокочастотных полях (до сотен кГц). Для ТММ используются преимущественно сердечники из никель-цинковых и марганцово-цинковых ферритов общего применения марок: 400НН, 600НН, 1000НН, 2000НН ГОСТ 14208-77 и 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ ГОСТ 16541-76. Они имеют достаточно высокую магнитную проницаемость (m _Н» 400-3000), недорогие и недефицитные, но у них очень низкая допустимая индукция (B_S = 0,25…0,38 Тл при H = 800 А / м) [7, 13]. Никель-цинковые ферриты по сравнению с марганцово-цинковыми имеют лучшие свойства – у них на порядок меньше тангенс угла потерь, выше удельное объемное сопротивление, слабая чувствительность к механическим воздействиям. Применение термостабильных марганцово-цинковых ферритов марок 4000НМС, 3000НМС, 2500НМС1, 2500НМС2 ГОСТ 17141-76 позволяет существенно (до 10…15 %) уменьшить массогабаритные показатели ТММ по сравнению с ферритами общего применения за счет повышения рабочей индукции B_S до 0,4…0,5 Тл и повысить температурный диапазон до 135 ° C [13, с.27]. Существенным недостатком ферритов являются снижение индукции насыщения B_S при повышении температуры и частоты. Из ферритов изготавливают кольцевые сердечники прямоугольного сечения (типа К) (см. рисунок 2.4, а) с размерами D = 4…65 мм, d = 2,5…40 мм, h = 1,2…12 мм.

Из магнитодиэлектриков предпочтение следует отдавать Мо-пермаллоям (прессованный порошкообразный пермаллой – прессперм) марок: П-60, П-100, П-120, П-160 и П-250, для которых характерным является достаточно высокая допустимая рабочая индукция (B_max = 0,52…0,75 Тл при H = 8000 А / м), но у них магнитная проницаемость примерно на порядок ниже, чем у ферритов. К тому же и частотный диапазон ограничен (f_max» 30…300 кГц). Возможно также использование кольцевых и броневых сердечников из альсифера марок ТЧ-60, ТЧ-90 ГОСТ 8763-77 (B_max = 0,42…0,50 Тл при H = 8000 А / м). На основе магнитодиэлектриков выпускаются кольцевые сердечники прямоугольного сечения (типа К) и полукруглого сечения (типа КП) (см. рисунок 2.4, а,б) с размерами D = 10…75 мм, d = 6…46 мм, h = 3…16,8 мм.

Более подробные сведения о свойствах магнитных материалов и рекомендации по их применению можно найти в справочниках [6-8 и 13].