Что такое магнитопровод или сердечник?

Электромагнитное поле являются важнейшим явлением, которое используется современной техникой. Все электрические машины и многие прочие устройства электроники и автоматики работают на основе электромагнитного поля. Для него характерна взаимосвязь с током. Но при этом магнитное поле может существовать самостоятельно в связи с определёнными веществами. А вот электрический ток всегда существует только вместе с электромагнитным полем.

Усилитель магнитного поля

Если возникает потребность в его усилении, применяются магнитопроводы. Также они называются сердечниками. Их материал и конструкция зависят от назначения устройства. Материал сердечника является его самой важной составляющей. Свойства материала в основном определяют процессы, которые происходят в сердечнике. Эти процессы различны в случае его взаимодействия с постоянным и переменным током.

Простейший магнитопровод это стержень круглого или иного по форме сечения. Его охватывают витки катушки, которая в тех или иных устройствах называется обмоткой. Магнитными свойствами обладают различные материалы. Наиболее эффективными усилителями электромагнитного поля являются материалы, именуемые ферромагнетиками. Это сплавы на основе железа с добавлением некоторых других компонентов. Добавки определяются свойствами сплава, которые стремятся получить в результате.

Если из такого сплава изготовить монолитный цилиндр и поместить его внутрь катушки получится устройство, которым можно пользоваться для тех или иных целей. Если ток в обмотке будет постоянным, такое устройство будет создавать постоянное магнитное поле. Получится электромагнит. Для того чтобы в сердечнике увеличивалась сила магнитного поля надо увеличивать либо силу тока в обмотке, либо число витков в обмотке, либо и то и другое вместе.

Но увеличение силы магнитного поля в сердечнике ограничено свойствами сплава. Этот эффект называется магнитным гистерезисом, а состояние магнитопровода – насыщением. Графически процессы в магнитопроводе отображаются в виде петли гистерезиса:

Насыщение магнитопровода начинается вблизи горизонтального участка кривой при движении по ней от нуля.

Любая катушка обладает индуктивностью. Сердечник эту индуктивность существенно увеличивает. Поэтому такие катушки применяются в цепях переменного тока и называются дросселями. Индуктивность определяется в первую очередь массой сердечника. Расстояние между его концами является следующим параметром, который влияет на величину индуктивности и называется зазором.

Конструктивные особенности

Наибольшая индуктивность получается, когда сердечник замкнут. Такой магнитопровод может быть тороидальным если он имеет вид бублика (тороида). Они используются для получения минимальной индуктивности рассеяния, то есть магнитного поля находящегося вне магнитопровода. Но поскольку они сложны в изготовлении, чаще применяются магнитопроводы из двух зеркально — симметричных частей вставляемых внутрь цилиндрической катушки, удобной в изготовлении.

В материале магнитопровода можно условно выделить множество короткозамкнутых обмоток. Переменный ток в обмотке вызывает в них токи потерь. Чтобы потери уменьшились, он делается многослойным с надёжной изоляцией слоёв друг от друга. Обычно для этого используются пластины необходимой формы. Из них изготовлены в большинстве своём все трансформаторы и дроссели, используемые в сетях централизованного электроснабжения. Реже используется конструкция в виде ленты в рулоне. Её сложнее состыковать с остальными деталями магнитопровода, если таковые имеются.

Конструктивно сердечники бывают стержневыми и броневыми. Они широко используются в трансформаторах и дросселях как показано на изображениях ниже:

Про магнитопроводы трансформатора смотрите отдельную статью по ссылке.

Металлические сердечники из сплавов на основе железа используются во всех электрических машинах, работающих на напряжении с частотой 50 Гц. На изображении показан магнитопровод электродвигателя. Пазы предназначены для расположения витков обмотки.

Увеличение частоты заметно уменьшает массу и габариты сердечников. Очень наглядным примером этого являются цокольные люминесцентные лампы. Но в высокочастотных устройствах приходится применять другие материалы для изготовления магнитопроводов. Даже самые тонкие пластины из сплава на основе железа нагреваются на высоких частотах неприемлемо сильно.

С увеличением частоты более 50 Гц для сердечников применяется сплав пермаллой на основе никеля, а на частотах более 1 кГц – сердечники из спекаемого порошка. Сердечники из пермаллоя конструктивно такие же, как и те, что изготовлены на основе железа – стержневые и броневые, только поменьше размером при равных мощностях трансформаторов и электродвигателей. А вот сердечники из порошка весьма разнообразны по своему составу. Они имеют небольшие размеры и технологичны в изготовлении не только для стержневых и броневых конструкций, но и для чашек, как видно на изображении слева.

Эти сердечники применяются в импульсных источниках электропитания, электронных балластах люминесцентных ламп и в различных радиоэлектронных устройствах в колебательных контурах, трансформаторах и фильтрах. В качестве материала сердечника наиболее широко используются различные марки ферритов.

Словом, современные материалы позволяют изготавливать магнитопроводы для решения большинства технических задач.