Перейти к содержанию

Вихревые токи в сердечнике

Сплошной кусок железа внутри катушки переменного тока работает как короткозамкнутый виток: поток наводит в нём кольцевые токи, и железо греется. Это вихревые токи, и вся конструкция сетевых и импульсных сердечников построена так, чтобы им мешать.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Вихревые токи (токи Фуко, eddy currents) — замкнутые токи, которые переменный магнитный поток наводит в любом проводящем материале по закону электромагнитной индукции. В сердечнике трансформатора они текут по кольцам вокруг линий потока, как в короткозамкнутом вторичном витке (Kuphaldt, гл. 13.1.1), и греют материал. TI описывает их как обычные I²R-потери в самом сердечнике (SLUP126).

Как они растут

Наведённая ЭДС пропорциональна скорости изменения потока, а мощность — квадрату ЭДС. Поэтому при той же амплитуде индукции вихревые потери в ферритах растут примерно как квадрат частоты (TI SLUP126). Отсюда граница: до 200–300 кГц потери силовых ферритов определяет в основном гистерезис, выше — вихревые токи. На низких частотах потери в сердечнике почти целиком гистерезисные, а у металлических сплавов вихревые потери начинают преобладать уже выше нескольких сотен герц (TI SLUP124, с. 2-5). Утверждение TI, что у пластин из сплавов и порошковых сердечников всегда преобладают вихревые потери (SLUP126), относится к частотам импульсных источников.

Как с ними борются

СпособГде применяютПочему работает
Тонкие изолированные пластинысетевые трансформаторы, двигателиконтур тока разбит на тонкие слои
Кремний в сталиэлектротехническая стальвыше удельное сопротивление
Тонкая навитая лента из сплавасердечники на 50, 60 и 400 Гцещё тоньше слой; но на частотах импульсных источников, от 100 кГц, вихревые потери велики даже при ленте 12,5 мкм (TI SLUP124)
Ферритимпульсные источники от десятков килогерцкерамика почти не проводит ток
Порошок с изолирующим связующимдроссели DC-DCчастицы изолированы друг от друга

Вихревые токи — одна из двух частей потерь в сердечнике; вторая — гистерезис. Как выбирать материал под частоту, рассказано в статьях «Трансформаторы» и «Магнитные сердечники».

Не путать

Со скин-эффектом: это тоже следствие наведённых токов, но в самом проводнике с током — он вытесняет ток к поверхности провода и увеличивает сопротивление обмотки.

Частые вопросы

Почему сердечник трансформатора собирают из тонких пластин?

Чтобы разорвать пути вихревых токов. Изолированные лаком пластины делят сплошной проводник на тонкие слои, и кольцевые токи в каждом слое малы (Kuphaldt, гл. 13.1.1). Кремний в электротехнической стали дополнительно повышает её сопротивление. Чем выше частота, тем тоньше нужны пластины.

Почему в импульсных блоках питания феррит, а не сталь?

У стали даже лента толщиной 12,5 мкм на частотах от 100 кГц даёт слишком большие вихревые потери (TI SLUP124). Феррит — керамика с высоким удельным сопротивлением, вихревые токи в нём малы, и до 200–300 кГц его потери определяет в основном гистерезис (TI SLUP126).

Бывают ли вихревые токи в обмотках?

Да. Поле обмотки наводит токи в соседних витках и в самом проводе — это скин-эффект и эффект близости. TI в справочнике по магнитным компонентам называет оба явления вихревыми потерями в обмотках; их снижают литцендратом, меньшим числом слоёв и чередованием обмоток.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume II — AC, 6th edition, chapter 13.1.1 «Hysteresis and Eddy Current» (CC BY) — сердечники собирают из изолированных лакированных пластин: контуры вихревых токов разбиваются на мелкие, токи похожи на короткозамкнутые вторичные витки; кремний в сплаве повышает сопротивление и снижает вихревые токи
  2. Dixon L. H. Magnetics Design Handbook, Section 4: Power Transformer Design (Texas Instruments SLUP126) — с. 4-3: вихревые потери — по сути I²R-потери в материале сердечника, пропорциональны VIN в понижающих схемах; у ферритов преобладают выше 200–300 кГц и растут как f²; у сплавов и порошков преобладают всегда; высокочастотные ферриты имеют большее удельное сопротивление
  3. Dixon L. H. Magnetics Design Handbook, Section 2: Magnetic Core Characteristics (Texas Instruments SLUP124) — с. 2-5: на низких частотах потери почти целиком гистерезисные, у ферритов вихревые обгоняют гистерезис на 200–300 кГц, у металлических сплавов — выше нескольких сотен герц; с. 2-1–2-2: ленточные сердечники — для 50, 60 и 400 Гц, от 100 кГц вихревые потери слишком велики даже при ленте 12,5 мкм; высокое удельное сопротивление ферритов делает вихревые токи малыми
  4. Dixon L. H. Magnetics Design Handbook, Section 3: Windings (Texas Instruments SLUP125) — с. 3-1: скин-эффект и эффект близости разобраны как вихревые потери в обмотках (ссылка R2 «Eddy Current Losses in Transformer Windings and Circuit Wiring»); глубина проникновения в меди на 100 кГц — 0,024 см

Нашли ошибку?

Смотрите также