Расчет магнитной проницаемости магнитопроводов
Ю. ИЛИТИЧ, пгт. Верховина Ивано-Франковской обл., Украина
Предлагаемая методика и соответствующая ей программа предназначены для измерения и расчета магнитной проницаемости материалов магнитопроводов импульсных блоков питания. Это позволяет использовать магнитопроводы без маркировки или с неизвестной маркировкой.
На страницах журнала "Радио" опубликовано множество описаний импульсных блоков питания. Один из основных элементов такого устройства — импульсный трансформатор, от правильного расчета которого зависят работоспособность, надежность и долговечность блока и питаемого прибора. В описаниях этих устройств указаны материал и типоразмер магнитопрово-да, а также намоточные данные трансформатора, поэтому проблем с изготовлением устройства не возникает. А как быть радиолюбителю, который решил повторить устройство, но не может найти нужный магнитопровод? На помощь приходят методики и программы расчета импульсного трансформатора [1,2]. Зачастую у радиолюбителя накапливаются трансформаторы от различных блоков питания телевизоров, компьютеров и прочей бытовой техники. Если магнитопровод имеет маркировку, то нужную для расчета информацию находят в справочниках [3, 4] или на сайтах в Интернете (особенно для зарубежных ферритов). Эти параметры подставляют в формулы или вводят в программы. Но попадаются магнитопроводы, которые не имеют никаких опознавательных знаков (а если и имеют, то что-либо определить по ним трудно). Предлагаемая методика была разработана именно для таких магнитопроводов.
Она основана на известной формуле расчета индуктивности тороидальной обмотки
где L — индуктивность, Гн; w — число . витков; Цо = 4я-10-7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость вакуума; ц — магнитная проницаемость материала магнитопровода; £ — средняя длина магнитной силовой линии в магнито-проводе, м; S —площадь поперечного сечения магнитопровода, м2.
Из (1) получаем формулу для расчета магнитной проницаемости
Для практических расчетов более удобна формула, полученная из (2), в которой индуктивность выражена в микрогенри, а размеры — в миллиметрах:
Кроме индуктивности, для расчета магнитной проницаемости материала магнитопровода нужно еще знать параметры £ и S. Следует учесть, что формула (3) приближенная и дает наиболее точный результат для тороидальных (кольцевых) магнитопроводов. Для других типов (Ш-образный, П-образный, броневой), которые имеют разветвленную магнитную цепь, сложно вывести точные формулы, связывающие индуктивность, магнитную проницаемость и размеры магнитопровода. Поэтому расчеты ведут, используя так называемые эквивалентные размеры £ и S ([5], с. 20—36), которые подставляют в формулу (3). Для радиолюбительской практики такой точности достаточно. В таблице перечислены формулы для определения £ и S для наиболее распространенных типов магнитопроводов [5].
Работу ведут в определенной последовательности.
1. На исследуемый магнитопровод наматывают пробную обмотку, например, из 10...20 витков провода диаметром 0,3...0,4 мм (их число и диаметр роли не играют). Важно, чтобы витки равномерно по всей длине разместились на магнитопроводе. Для удобства расчета по формуле (3) лучше намотать 10 витков. Затем измеряют индуктивность пробной обмотки в микрогенри. Если магнитопровод состоит из нескольких частей (Ш-образный, П-образный, броневой), то его нужно сжать, чтобы устранить или минимизировать немагнитный зазор, который уменьшает индуктивность пробной обмотки и занижает вычисленное значение магнитной проницаемости материала. Также следует учесть влияние инструментов, стягивающих болтов и шпилек, поэтому желательно, чтобы они были изготовлены из немагнитных материалов.
2. Далее из таблицы выбирают тип исследуемого магнитопровода и по соответствующему чертежу делают все необходимые измерения в миллиметрах. Измерять лучше штангенциркулем, чтобы результаты были как можно точнее. Затем по соответствующим формулам вычисляют среднюю длину магнитной линии £ в миллиметрах и площадь поперечного сечения S в квадратных миллиметрах.
3. Измеренную в микрогенри индуктивность, число витков w, а также значения £ и S подставляют в формулу (3) и определяют магнитную проницаемость материала магнитопровода.
|
Номер рисунка |
Тип магнитопровода |
Формулы для расчета |
|
|
1 |
S |
||
|
1 |
Тороидальный |
«=*-(D+d)/2 |
S=h(D-d)/2 |
|
2 |
Ш-образный, с круглым центральным стержнем |
«=A+B+F-E |
Э=лЕ2/4 |
|
3 |
Ш-образный, с квадратным или прямоугольным центральным стержнем |
«=A+B+F-E |
S=CE |
|
4 |
Броневой (из двух чашек) |
«=d1-d2+2(h1+h2) |
S=n-(d22-d32)/4 |
|
5 |
П-образный |
«=A+B+D+F |
S=n-Cz/4-G-l |
Для упрощения расчетов и экономии времени разработана программа "ц-Калькулятор" для ПК, которая по предлагаемой методике рассчитывает магнитную проницаемость магнитопрово-дов распространенных типов. Программа написана в среде Visual Studio 2008 фирмы Microsoft на языке Visual Basic 2008 ЕЕ. Она также определяет сечение магнитопровода и среднюю длину магнитной линии, которые тоже нужны для дальнейших расчетов импульсного трансформатора. Зная магнитную проницаемость материала магнитопровода, можно по справочникам найти ближайший аналог и определить необходимые параметры (индукцию насыщения, удельные потери и др.).
Папка с программой может иметь любое удобное имя и храниться на любом носителе или разделе жесткого диска. В ней имеются исполняемый файл MUCalculator.exe и файл справки Help.chm (его можно запустить отдельно, чтобы изучить работу с программой до ее использования), а также файлы чертежей магнитопроводов. При удалении или переименовании любого из этих
файлов программа сообщит об ошибке, но останется работоспособной.
После запуска программы MUCalculator.exe открывается ее окно (рис. 6). В его верхней части расположена строка меню, содержащая два пункта: Файл и Справка. Пункт меню Файл состоит из команд: Сохранить — сохраняет текущий расчет в текстовом файле внутри папки с программой, Печать — печатает текущий расчет на системном принтере, Рассчитать — выполняет расчет магнитной проницаемости выбранного магнитопровода, Выход — выход из программы без сохранения текущего расчета. Пункт меню Справка информирует пользователя о программе и ее авторе.
Часть окна программы ниже строки меню состоит из пяти панелей (рис. 6): 8 — выбор типа магнитопровода, 7 — ввод его размеров, 1 — вывод изображения чертежа магнитопровода, 2 — расчет, 3 — вывод результата расчета. Последняя панель имеет три кнопки: 6 — очистка полей ввода, 5 — вызов справки, 4 — выход из программы. Панель расчета, показанная с увеличением на рис. 7, содержит элементы: 5 и 4 — поля для ввода индуктивности L и числа витков w пробной обмотки; 3 — кнопка Рассчитать, 2 и 1 — поля для вывода вычисленных значений S и 2.
На панели выбора типа магнитопровода щелчком левой кнопки мыши выбирают тип исследуемого магнитопровода. После этого в правом верхнем углу панели появляется чертеж выбранного магнитопровода с указаниями необходимых размеров, а также надписи возле полей. Далее как можно точнее измеряют в миллиметрах все необходимые размеры исследуемого магнитопровода и записывают их в соответствующие поля.
На панели расчета вводят измеренную в микрогенри индуктивность пробной обмотки и число ее витков. При наличии дробной части ее вводят после разделительной точки (не запятой). После ввода всей информации нажимают на кнопку Рассчитать или выполняют команду меню Файл->Рассчи-тать. После этого в полях вывода появятся вычисленные значения £ и S, а также \i — магнитной проницаемости материала магнитопровода.
Для проведения нового расчета нужно очистить все поля нажатием на кнопку Очистить. Для удобства программа показывает всплывающие подсказки при наведении указателя мыши на основные объекты панелей и сообщения об ошибках, если какой-нибудь параметр не введен или введен неверно, с указанием названия этого параметра.
Распечатку результатов расчета выполняют командой меню Файл-»Пе-чать. По этой команде системный принтер печатает стандартную страницу А4 с результатами текущего расчета и чертежом магнитопровода.
Для сохранения результатов расчета в текстовый файл следует выполнить команду меню Файл->Сохранить. При этом откроется стандартное окно сохранения файла. В поле Имя файла нужно ввести имя сохраняемого файла (расширение .txt программа добавляет автоматически) и нажать на кнопку Сохранить Если файла с таким именем не существу-
ет, программа спросит, нужно ли его создать. На этот вопрос надо ответить утвердительно (нажать на кнопку ОК). В результате будет создан текстовый файл с информацией об исследуемом магни-топроводе, результатами и датой расчета. Если файл с таким именем существует, программа об этом предупредит и спросит, нужно ли его создать Если на этот вопрос также ответить утвердительно, программа дописывает новые результаты расчета в конец этого файла, не стирая ранее сделанные записи.
Сохраненный файл можно прочитать, удалить в нем ненужные записи и распечатать с помощью любого подходящего текстового редактора, например, системной программы Блокнот (рис. 8).
ЛИТЕРАТУРА
От редакции.
Предлагаемая методика полезна и для проверки магнитопроводов с известной маркировкой: измеренное значение магнитной проницаемости материала ниже естественного разброса обычно указывает на скрытые дефекты магнитопровода.
Если магнитопровод должен работать с немагнитным зазором, то нужно измерить индуктивность пробной обмотки дважды: с зазором и без, чтобы учесть его влияние на уменьшение индуктивности обмоток. Например, если зазор уменьшает индуктивность в к раз, то для достижения требуемой I индуктивности обмотки при наличии зазора , нужно увеличить число ее витков в -{к раз по сравнению со случаем его отсутствия. Немагнитный зазор уменьшает остаточную магнитную индукцию магнитопровода, в результате чего без его насыщения можно пропускать через обмотку гораздо больший ток.
Упомянутая в статье программа находится на нашем FTP-сервере по адресу <ftp://ftp.radio.ru/pub/2011/04/mucalc.zip>.