16.01.2024

Магнитопроводы UNICORE для дросселей и реакторов: особенности конструирования

Дроссели и реакторы работают с немагнитным зазором. Этот зазор запасает энергию и стабилизирует индуктивность, но создаёт проблему: магнитное поле «выпучивается» наружу, вызывая добавочные потери в обмотке. Классические C-образные сердечники с сосредоточенным зазором борются с этим лишь частично. UNICORE предлагает другой подход.

Зачем дросселю немагнитный зазор

В отличие от трансформатора, где поток должен максимально полно передаваться из первичной обмотки во вторичную, дроссель работает иначе. Немагнитный зазор в его магнитной цепи выполняет три функции.

• Запасение энергии. Именно в зазоре сосредотачивается энергия магнитного поля, которая определяет индуктивность.
• Линеаризация характеристики. Зазор «размазывает» кривую намагничивания. Индуктивность становится менее зависимой от тока.
• Предотвращение насыщения. Сердечник не насыщается при больших токах подмагничивания. Это критично для сглаживающих дросселей и реакторов сетевых фильтров.

Однако сосредоточенный зазор имеет существенный недостаток. Магнитное поле в его окрестности выходит за пределы сердечника и пронизывает прилегающие витки обмотки. Это создаёт добавочные потери и локальный нагрев. Кроме того, эффективная магнитная проницаемость в зоне зазора резко падает. Чтобы получить заданную индуктивность, приходится увеличивать число витков.

Решение UNICORE: распределённый зазор

Технология UNICORE предлагает принципиально иной подход. Вместо одного сосредоточенного зазора немагнитный промежуток распределяется по длине стержня. Это достигается за счёт ступенчатого соединения пластин.

Магнитный поток не «перепрыгивает» через единую воздушную преграду. Он следует по соседним слоям, которые в данной точке разрыва не имеют. Для дросселей и реакторов это даёт три эффекта:

• Снижение эффективного магнитного сопротивления зазора. Распределённый зазор эквивалентен множеству малых зазоров, включённых параллельно.
• Уменьшение выпучивания поля. Магнитный поток остаётся более «собранным» вблизи стержня.
• Снижение добавочных потерь в обмотке от рассеяния в зоне зазора.

Типы UNICORE для устройств с зазором

Для дросселей и реакторов применяются четыре основных типа UNICORE.

Тип	Конструкция зазора	Применение
BUTT Unicore	Зазор в плоскости стыка, поверхность выровнена	Замена классических C-образных сердечников в дросселях
Step Butt Unicore	Зазор выполнен в виде ступеней	Дроссели с улучшенными характеристиками
Core Gap	Зазор в магнитопроводе, минимальный размер 1 мм	Дроссели, требующие точного задания индуктивности
Combi Step Butt	Зазоры на противоположных сторонах сердечника	Снижение потерь и шума

BUTT Unicore - это прямая замена классических C-образных сердечников, но с улучшенными технологическими и магнитными характеристиками. Step Butt Unicore может быть подвергнут отжигу для снижения потерь.

Как распределённый стык влияет на индуктивность

Индуктивность дросселя с сердечником определяется выражением: L = N² / Rm. Здесь N - число витков, Rm - полное магнитное сопротивление цепи.

Для цепи с зазором: Rm = Rm_стали + Rm_зазора. Магнитное сопротивление зазора Rm_зазора = l_gap / (μ₀ · S). Поскольку μ₀ в тысячи раз меньше магнитной проницаемости стали, даже малый зазор доминирует в общем сопротивлении.

В конструкции UNICORE с распределённым зазором эффективная длина немагнитного промежутка распределена по длине стержня. Это приводит к нескольким эффектам:

1. Более плавное изменение магнитного сопротивления. Поток не «спотыкается» о единый барьер, а плавно перераспределяется между слоями.
2. Увеличение эффективной площади зазора. За счёт того, что поток в соседних слоях не претерпевает разрыва, общая проводимость зазора возрастает.
3. Снижение зависимости индуктивности от тока. Распределённый зазор менее подвержен локальному насыщению.

На практике это означает: при той же геометрии и том же числе витков UNICORE-дроссель может иметь несколько большую индуктивность, чем аналогичный C-образный сердечник с эквивалентным зазором. Или - для получения заданной индуктивности требуется меньше витков. Это снижает активное сопротивление обмотки и потери.

Исследования подтверждают: магнитопроводы с распределённым зазором сохраняют более непрерывный магнитный контур. Индуктивность остаётся стабильной в широком диапазоне индукций - вплоть до 1,9 Тл против 1,2 Тл у традиционных пакетированных сердечников.

Влияние на потери

Потери в зоне зазора

Основной источник дополнительных потерь в дросселях с зазором - выпучивание магнитного поля. Поле выходит за пределы сердечника и пронизывает прилегающие витки обмотки, наводя в них вихревые токи. Эти потери:

• прямо пропорциональны квадрату индукции в зоне зазора;
• зависят от размера зазора и расстояния до обмотки;
• могут составлять десятки процентов от общих потерь в мощных дросселях.

Распределённый зазор UNICORE уменьшает локальную концентрацию поля, «размазывая» его по длине стержня. В результате выпучивание поля снижается, добавочные потери в обмотке уменьшаются, а нагрев в зоне зазора становится более равномерным.

Магнитные потери в стали

Помимо потерь в зоне зазора, UNICORE снижает и собственные потери в стали:

• Устранение концентрации потока в углах. Это характерно для C-образных сердечников.
• Более равномерное распределение индукции по сечению.
• Возможность применения отжига для снижения гистерезисных потерь.

Согласно техническим данным, отжиг UNICORE-сердечников может снизить потери на 10 - 30% в зависимости от размера. Для дросселей, работающих на частотах 50 - 400 Гц, это даёт заметный эффект.

Сравнение с классическими C-образными сердечниками

Параметр	C-образный сердечник	UNICORE BUTT
Сборка	Требует шлифовки, пропитки	Проще, возможна замена без доработки
Стоимость	Выше	Существенно ниже
Потери в зазоре	Сосредоточенные	Распределённые, сниженные
Возможность отжига	Ограничена	Step Butt может отжигаться
Крепление	Требуются стяжные ленты	Возможна сварка TIG последней пластины

Практические примеры применения

Сетевые реакторы DRS

Реакторы типа DRS предназначены для ограничения пусковых токов и защиты сети от импульсов при коммутации полупроводниковых преобразователей. Конструкция магнитной системы: шихтованный стержень с зазором, выполненный по технологии UNICORE с BUTT-соединением. Один немагнитный зазор расположен в средней части обмотки. Материал - электротехническая сталь NV30S-120 толщиной 0,3 мм.

Параметры реакторов DRS:

• Индуктивность: от 0,025 до 0,12 мГн;
• Номинальный ток: от 110 до 500 А;
• Масса: от 19 до 34 кг.

Однофазные реакторы DR1

Реакторы DR1 общего назначения применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Магнитная система: UNICORE с BUTT-соединением, два немагнитных зазора в средней части обмотки. Материал - сталь NV30S-120, толщина 0,3 мм.

Прецизионный электромагнит

В диссертационном исследовании Чешского технического университета UNICORE-магнитопровод использовался для создания эталонного электромагнита переменного тока с зазором 10 мм. Конструкция на основе ориентированной стали обеспечила достижение индукции 0,9 Тл на частоте 50 Гц. Это подтверждает: UNICORE с зазором пригоден для прецизионных применений, где важны стабильность и точность.

Рекомендации по конструированию

1. Выбор типа UNICORE. Для дросселей с сосредоточенным зазором оптимален BUTT или Step Butt Unicore. Они напрямую заменяют C-образные сердечники без перепроектирования обмотки. Для дросселей с распределённым зазором - Core Gap с минимальным зазором 1 мм.
2. Учёт технологии сборки. UNICORE-сердечники для дросселей могут поставляться пропитанными эпоксидной смолой класса H и разрезанными. Это упрощает сборку и обеспечивает стабильность зазора.
3. Использование отжига. Если потери критичны, применяйте отожжённые Step Butt Unicore. Это снижает потери на 10 - 30%.
4. Согласование с существующей конструкцией. UNICORE совместим с существующими каркасами катушек. Это позволяет модернизировать дроссели без изменения обмоточных форм.
5. Учёт ограничений. Максимальная масса UNICORE - до 1500 кг, максимальная высота - до 300 мм. Для дросселей распределительных сетей и преобразовательной техники этих ограничений достаточно.

Коротко о главном

UNICORE - эффективное решение для дросселей и реакторов с немагнитным зазором. Технология предлагает прямую замену классическим C-образным сердечникам.

Распределённый зазор снижает выпучивание магнитного поля, уменьшает добавочные потери в обмотке и стабилизирует индуктивность в широком диапазоне токов. Совместимость с существующими конструкциями позволяет применять UNICORE без перепроектирования обмоток и каркасов.

Технологические преимущества: отсутствие необходимости в шлифовке и стяжных лентах, возможность сварки TIG, более низкая стоимость по сравнению с C-образными сердечниками. Практическое применение подтверждено в серийных реакторах (DRS, DR1), а также в прецизионных электромагнитах для метрологии.

Если вы проектируете дроссель или реактор и хотите оценить, подойдёт ли UNICORE под вашу задачу - свяжитесь с инженерами завода Электромашина.

Нужна консультация по магнитопроводам UNICORE для дросселей или расчёт под ваш проект?
Напишите нам - поможем разобраться с техническими параметрами.