Tại sao chúng ta muốn khoảng cách trong vật liệu cốt lõi trong khi thiết kế cuộn cảm?

Trong một số trường hợp, điều cần thiết là lõi của cuộn cảm phải có khe hở, không giống với lõi máy biến áp. Tôi hiểu lý do với lõi biến áp điện áp; không có gì phải lo lắng về độ bão hòa lõi và chúng tôi muốn giữ độ tự cảm quanh co càng cao càng tốt.

Công thức của độ tự cảm là:

Và, công thức cho mật độ từ thông:

Ở đâu,

$N$ : Số lượt : Tổng lõi miễn cưỡng : Các yếu tố : Current qua dây : thấm của lõi : con đường từ trung bình của lõi : Chiều dài của khoảng cách : Mặt cắt ngang khu vực của lõi : Độ tự cảm : Mật độ từ thông
$R$
$A_L$$A_L$
$I$
$\mu_c$
$\ell_c$
$\ell_g$
$A_c$
$L$
$B$

Những gì tôi hiểu từ hai công thức này là, độ dài của khoảng cách ảnh hưởng đến cả mật độ từ thông và độ tự cảm với cùng tỷ lệ. Khi thiết kế cuộn cảm, chúng tôi muốn giữ mật độ từ thông thấp, để lõi không bão hòa và tổn thất lõi ở mức thấp. Mọi người nói rằng họ để lại khoảng trống để giữ cho sự miễn cưỡng ở mức cao, do đó có ít dòng chảy trong lõi và lõi tránh xa vùng bão hòa. Tuy nhiên, làm như vậy sẽ làm giảm độ tự cảm là tốt. Bằng cách để lại khoảng cách, chúng tôi giảm mật độ từ thông và độ tự cảm với cùng một hệ số. Sau đó, thay vì để lại khoảng trống, chúng ta cũng có thể giảm số vòng quay trong cuộn dây.

Lý do duy nhất để lại khoảng trống có ý nghĩa là tăng số lượng tham số thiết kế để có được giá trị điện cảm dẫn đến gần hơn ở cuối. Tôi không thể tìm thấy bất kỳ lý do nào khác để để lại khoảng cách.

Điều gì làm cho việc để lại khoảng trống là một hành động không thể tránh khỏi trong khi thiết kế một cuộn cảm?

Tại sao chúng ta muốn khoảng cách trong vật liệu cốt lõi trong khi thiết kế cuộn cảm?

Và ...

Lý do duy nhất để lại khoảng trống có ý nghĩa là tăng số lượng tham số thiết kế để có được giá trị điện cảm dẫn đến gần hơn ở cuối. Tôi không thể tìm thấy bất kỳ lý do nào khác để để lại khoảng cách.

Có một lý do chính và nó rõ ràng từ các công thức bạn trích dẫn: -

Những gì bão hòa một cuộn cảm là quá nhiều hiện tại và quá nhiều lượt cho một hình học lõi và vật liệu cốt lõi nhất định. Tuy nhiên, bằng cách thêm một khoảng trống, chúng ta có thể giảm một nửa độ thấm của lõi và điều này có nghĩa là chúng ta có thể tăng gấp đôi số ampe (hoặc gấp đôi số lần quay) để có được mức bão hòa như chúng ta có trước đây, nhưng độ tự cảm sẽ giảm một nửa khi chúng ta giảm một nửa tính thấm.

May mắn thay, khi chúng ta giảm một nửa thấm cốt lõi, để khôi phục lại giá trị ban đầu của điện cảm, chúng ta chỉ cần tăng số lượng lần lượt bởi vì vậy, nếu chúng ta đã giảm một nửa độ thấm với khoảng cách, khả năng tránh bão hòa đã được cải thiện thêm$\sqrt2$ =$\frac{2}{\sqrt2}$ .$\sqrt2$

Điều này có nghĩa rằng bạn sẽ có được cảm cùng nhưng bây giờ bạn có thể có một dòng điều hành mà là cao hơn cho cùng mức bão hòa lõi khi lõi không bị hở.$\sqrt2$

Điều tôi hiểu từ hai công thức này là, độ dài của khe hở ảnh hưởng đến cả mật độ từ thông và độ tự cảm với cùng tỷ lệ

Và ...

Bằng cách để lại khoảng trống, chúng tôi giảm mật độ từ thông và độ tự cảm với cùng một hệ số

Không; nhìn vào công thức 1 của bạn - nó cho bạn biết độ tự cảm tỷ lệ với số bình phương trong khi trong công thức thứ 2 của bạn, từ thông tỷ lệ với số lần lượt (không có số hạng vuông) vì vậy không, chúng không thay đổi với cùng tỷ lệ hoặc hệ số.

Nếu một khoảng cách gây permability giảm một nửa, mật độ thông lượng cũng nửa cho hành cùng hiện tại nhưng, để trở về cảm với những gì nó đã được trước đó, lần lượt phải tăng do đó mấu chốt là mật độ thông lượng đã giảm xuống$\sqrt2$ cho cùng một hoạt động hiện tại. Đây là một lợi ích và một lớn.$\sqrt2$

Saturation luôn là một vấn đề trong cả thiết kế máy biến áp và cuộn cảm. Nếu chúng ta sẽ chi tiền cho một lõi sắt nặng và đắt tiền, thì chúng ta muốn làm việc gần đến mức bão hòa nhất có thể.

Lý do cuộn cảm bị hở, và máy biến áp thì không, là vì chúng đang cố gắng làm những việc khác nhau.

Mục đích của một cuộn cảm là để lưu trữ năng lượng. Điều này có nghĩa là để có được lõi gần với trường B bão hòa thì phải lấy càng nhiều trường H, đó là lần lượt ampere, càng tốt. Điều này cần một con đường từ tính miễn cưỡng cao.

Mục đích của máy biến áp là truyền năng lượng, càng ít được lưu trữ trong máy biến áp càng tốt. Trong thực tế, lưu trữ năng lượng trong một máy biến áp là một điều xấu , cần snubbers để bảo vệ các ổ biến tần. Điều này cần một đường dẫn miễn cưỡng thấp, vì vậy không có khe hở không khí, độ thấm càng cao càng tốt.

Đây là một sự tương tự tôi thích sử dụng, và nó hơi kỳ lạ, vì vậy tôi rất tuyệt nếu không có quá nhiều người mò mẫm nó, là năng lượng cơ học. Trong sự tương tự này, ứng suất tương đương với trường B, do đó mức bão hòa tương đương với biến dạng phá vỡ của vật liệu. Strain, độ giãn dài, thay đổi độ dài, tương đương với trường H, các vòng xoay. Do đó độ cứng là tương đương với tính thấm. Một khe hở không khí là một sợi dây cao su, cần nhiều thay đổi về chiều dài để có được một sự căng thẳng tốt. Một lõi sắt là một sợi dây polypropylen, cần rất ít sự căng thẳng để làm cho nó căng thẳng.

Bây giờ, bạn sẽ sử dụng dây nào cho hệ thống ròng rọc? Rõ ràng là không co giãn. Bạn không muốn lưu trữ năng lượng trong sợi dây giữa các ròng rọc, bạn chỉ muốn đầu vào trở thành đầu ra.

Những sợi dây bạn sẽ sử dụng để lưu trữ năng lượng? Một cao su. Nếu cả dây poly và dây cao su có cùng một lực đứt, bạn có thể dự trữ năng lượng gấp 100 lần bằng dây cao su, nếu nó kéo dài hơn 100 lần so với dây poly.

Điểm thưởng. Tại sao chúng ta sử dụng sắt ở một cuộn cảm? Đó là để làm với cường độ của tính thấm, tổn thất đồng, v.v ... Điều đó xảy ra rằng không dễ để dòng điện 'giữ lấy' không khí quanh một dây dẫn. Đó là một chặng đường dài quanh dây dẫn, trường H rất thấp đối với bất kỳ dòng điện nào. Nó cần rất nhiều hiện tại để có được một lĩnh vực tốt. Điều đó tương đương với dây cao su của chúng tôi rất dài và mỏng, vì vậy chúng tôi cần sử dụng một số dây poly để 'hạ nó xuống' với khoảng cách và lực phù hợp hơn với phần còn lại của hệ thống. Lõi sắt tập trung trường H xuống khe hở không khí nhỏ.

Bạn đúng là độ tự cảm tối đa đạt được không có khe hở, nhưng vật liệu lõi có độ thấm khác nhau với sự thay đổi cường độ từ trường. Xem biểu đồ dưới đây:

Ngoài ra còn có một sự thay đổi tính thấm với nhiệt độ.

Bạn có thể thấy rằng không có khoảng cách, giá trị của cuộn cảm sẽ thay đổi rất nhiều khi dòng điện qua cuộn cảm của bạn thay đổi. Tuy nhiên, tính thấm của không gian trống (μ0) là không đổi. Ngay cả với độ dài khoảng cách nhỏ, giá trị của ℓg / μ0 có thể lớn hơn nhiều so với ℓc / μc, vì vậy sự đóng góp của hình dạng khoảng cách trong phương trình của bạn có thể chi phối sự thay đổi của vật liệu lõi. Điều này cho phép xây dựng một cuộn cảm có giá trị tự cảm khá ổn định trên một loạt các dòng điện và nhiệt độ.

Bởi vì gần như tất cả năng lượng từ tính được lưu trữ trong khe hở không khí!

Mật độ năng lượng là BxH. B giống nhau trong không khí và sắt nhưng H là hệ số 1 / mu_r lớn hơn trong khe hở không khí, do đó, sẽ được tính. Thay vì khe hở không khí, bạn cũng có thể chọn một ferrite có giá trị mu_r thấp, điều mà tôi nghĩ là lõi "thoáng".

Chỉ khi bạn không cần lưu trữ năng lượng từ tính, như trong trường hợp máy biến áp mà nguồn điện đi qua mà không được lưu trữ, bạn mới nên sử dụng lõi mà không có khe hở không khí.

$\left(\mu_e=\dfrac{\mu_0 \mu_c (\ell_c + \ell_g)}{\mu_0 \ell_c + \mu_c \ell_g}\right)$

Các công thức cho độ tự cảm và mật độ từ thông là:

$k$

Sắp xếp lại các điều khoản:

$B\propto N$$L\propto N^2$$B\propto\mu_e$$L\propto\mu_e$

Tại sao chúng ta muốn khoảng cách trong vật liệu cốt lõi trong khi thiết kế cuộn cảm?

Bởi vì chúng tôi không có sẵn các vật liệu lý tưởng, để tạo ra một cuộn cảm tốt.

OK, vậy một cuộn cảm tốt là gì?

Chúng tôi sẽ sử dụng các vật liệu đắt tiền, vì vậy đối với bất kỳ số lượng hạn chế nào trong số chúng, chúng tôi muốn có độ tự cảm cao nhất, lưu trữ năng lượng cao nhất, trong số lượng cố định của chúng. Vật liệu khác nhau giới hạn việc lưu trữ năng lượng theo những cách khác nhau.

Cho tôi biết thêm về những giới hạn này

Đồng giới hạn dòng điện chúng ta có thể đẩy qua một cuộn cảm, vì sưởi ấm. Nếu chúng ta tạo ra một cuộn cảm lõi không khí, điều này luôn luôn là thứ giới hạn việc lưu trữ năng lượng tối đa. Nếu chúng ta muốn chạy một dòng điện cao hơn, chúng ta có thể làm điều đó một thời gian ngắn trước khi cuộn dây quá nóng.

Các vật liệu Ferromganetic như sắt hoặc ferrite giới hạn trường B trong lõi. Khi chúng ta đạt đến độ bão hòa, độ thấm giảm và chúng ta không nhận được lợi ích gì nữa từ lõi. Lợi ích là nó mang lại cho chúng ta rất nhiều trường B cho các vòng xoay (trường H) của chúng ta. Tính thấm của các vật liệu này nằm trong phạm vi 1000, có nghĩa là rất ít dòng điện cần thiết để bão hòa chúng. Vì năng lượng được lưu trữ là sản phẩm của trường H và B, chúng tôi muốn tăng trường H mà không tăng trường B tương ứng.

Tại sao các giới hạn quan trọng cho thiết kế cuộn cảm tốt?

Một cuộn cảm tốt bị giới hạn như nhau bởi cả đồng và vật liệu từ tính.

Với vật liệu từ tính thấm thấp như không khí, dòng điện bị giới hạn bởi quá trình gia nhiệt cuộn dây. Chúng ta có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn với từ trường nhiều hơn, vì vậy lý tưởng là muốn tăng tính thấm để có thêm trường B cho dòng điện của chúng ta. Thật không may, với điện trở suất của đồng, tính thấm của không khí và hình học điển hình của cuộn / lõi có thể, tính thấm lý tưởng hóa ra là trong 10 giây đến 100 rất thấp.

Các vật liệu có tính thấm cao, ferrite và sắt có các con số trong phạm vi 1000 và 1000 tương ứng, có xu hướng đạt đến độ bão hòa ở dòng cuộn thấp hơn so với cuộn có thể xử lý để sưởi ấm. Chúng ta cần tìm một cách để sử dụng hiện tại. Những gì chúng ta cần là một lõi có độ thấm thấp hơn để dòng điện nhiều hơn sẽ tăng trường H mà không tăng trường B. Một khe hở không khí hàng loạt làm giảm tính thấm hiệu quả xuống từ phạm vi 1000 đến phạm vi 10-100.

Có vật liệu nào khác mà chúng ta có thể sử dụng thay vì lõi có khe hở không khí không?

Đúng. Chúng tôi có thể tổng hợp các vật liệu có độ thấm khối lớn hiệu quả trong khoảng từ 10 đến 100 bằng cách sử dụng bột từ tính gắn nhựa. Điều này cho chúng ta cái gọi là vật liệu khe hở không khí phân tán. Khi bạn thấy một tham chiếu đến lõi 'bột sắt' hoặc toroids ferrite có tính thấm trong 10s, đây là điều đang diễn ra. Một lõi rắn có khe hở không khí rẻ hơn, và linh hoạt hơn để sản xuất.

Hãy nhớ rằng, đồng cũng quan trọng trong việc thiết lập tính thấm lý tưởng, thông qua các tổn thất của nó. Nếu chúng ta có một dây dẫn mà không bị tổn thất, thì chúng ta có thể sử dụng lõi có độ thấm thấp hơn, bởi vì chúng ta có thể sử dụng dòng điện cao hơn nhiều. Đây là những gì xảy ra trong các solenoids siêu dẫn, như được sử dụng trong các máy MRI và LHC. Các lĩnh vực trong số này chạy đến nhiều Tesla, trên mức bão hòa của cả ferrite và sắt.