Dławik indukcyjny z proszkowym rdzeniem dielektromagnetycznym

Transkrypt

1 mgr inŝ. Marek Przybylski doc. dr hab. inŝ. Barbara Ślusarek Instytut Tele i Radiotechniczny ul. Ratuszowa 11, Warszawa Dławik indukcyjny z proszkowym rdzeniem dielektromagnetycznym Słowa kluczowe: dławik indukcyjny, dielektromagnetyk, straty mocy STRESZCZENIE Dławiki indukcyjne, zwane teŝ często cewką z rdzeniem ferromagnetycznym, mają szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach elektronicznych, takich jak np. zasilacze, filtry częstotliwościowe. Ich rolą, m. in., jest ograniczenie poboru prądu zmiennego bez strat mocy. W referacie przedstawiono projekt i analizę dławika z rdzeniem ferromagnetycznym z dielektromagnetyku o indukcyjności 6 mh, maksymalnym prądzie ok. 2 A. Zakres częstotliwość pracy dławika przy maksymalnym prądzie 2 A wynosi od 50 do 1000 Hz. W pracach projektowych załoŝono, Ŝe rdzeń dławika wykonany zostanie z magnetycznie miękkiego proszku Ŝelaza spajanego środkiem wiąŝącym. Opracowano dławik o załoŝonych parametrach eksploatacyjnych. Badania modelu dławika umoŝliwiły weryfikację uzyskanych parametrów. W ramach przeprowadzonych badań modelu dławika przeprowadzono pomiary: indukcyjności i strat mocy w funkcji częstotliwości i prądu. Przeprowadzono pomiary temperatury rdzenia ferromagnetycznego i uzwojenia w zaleŝności od czasu pracy dławika. 1. WPROWADZENIE Dławiki indukcyjne są elementami elektrycznymi znajdującymi szerokie zastosowanie w urządzeniach elektronicznych i elektrotechnicznych. Mogą one ograniczać prądy przemienne w sposób bardziej ekonomiczny niŝ rezystory. W przypadku stosowania rezystorów, które spełniają taką samą rolę w wielu urządzeniach, zmniejszenie poboru prądu powoduje duŝe straty mocy.w róŝnego rodzaju urządzeniach elektronicznych i elektrotechnicznych stosowane są dławiki o róŝnych parametrach, takich jak indukcyjność, maksymalny prąd i maksymalna częstotliwość pracy. Na rynku oferowane są dławiki indukcyjne róŝnych indukcyjnościach, rozmiarach i częstotliwościach pracy. Dławiki dzielą się na dławiki z rdzeniem ferromagnetycznym i bez rdzenia. Dławiki bez rdzenia nazywa się cewkami. W dławikach z rdzeniem ferromagnetycznym jego rdzeń zwiększa indukcyjność. Dławiki indukcyjne mogą być wyposaŝone w rdzeń z blach elektrotechnicznych, ferrytów lub magnetycznie miękkich kompozytów proszkowych zwanych takŝe dielektromagnetykami, mogą to teŝ być inne magnetycznie miękkie materiały. 2. TECHNOLOGIA WYTWARZANIA DIELEKTROMAGNETYKÓW Rdzeń magnetyczny dławika indukcyjnego został wytworzony z proszku Ŝelaza firmy Hoganas o nazwie Somaloy 500 spajanego środkiem o nazwie LB1 [1]. Środek spajający spełnia takŝe funkcję poślizgową ułatwiając proces prasowania proszku. Proszek Somaloy 500 jest proszkiem Ŝelaza o wysokiej czystości pokrytym powierzchniowo dielektrykiem IX Krajowa Konferencja Elektroniki 1

2 nieorganicznym. Warstwa izolacyjna ziaren zmniejsza straty mocy pochodzące od prądów wirowych. Proszek magnetycznie miękki prasowano ciśnieniem 800 MPa, dla uzyskania wypraski o duŝej gęstości. Otrzymaną wypraskę utwardzono w temperaturze utwardzania środka spajającego. Dla środka LB1 jest to temperatura rzędu 200 C a czas utwardzania wynosił 1 godzina. Materiały tego typu znajdują coraz szersze zastosownie w przetwornikach elektromagnetycznych [5,6]. Przykłady wytworzonych dielektromagnetyków oraz proszku Somaloy 500 pokazano na rys. 1. Rys. 1. Przykłady dielektromagnetyków wytworzonych w ITR oraz proszek Ŝelaza Somaloy 500 Dla wytworzonych dielektromagnetyków wyznaczono parametry magnetyczne i elektryczne. Własności magnetyczne zostały wyznaczone wg normy PN IEC EN :2003 na próbkach pierścieniowych [2]. Na rys. 2. pokazano amplitudową charakterystykę magnesowania dla próbki pierścieniowej z proszku Somaloy ,6 % LB1. Amplitudowa przenikalność maksymalna wynosi około 220 dla H m = 2000 A/m. Bm [T] 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, H m [A/m] Rys.2. Charakterystyka magnesowania dla próbki dielektromagnetyku z proszku Somaloy ,6 % LB1 dla 200 Hz. W tabeli 1 pokazano wyniki pomiarów stratności wykonanych dielektromagnetyków w funkcji indukcji magnetycznej i częstotliwości. Tabela 1 Stratność dielektromagnetyków w funkcji indukcji i częstotliwości f B m =0,5 T B m =1 T B m =1,3 T [Hz] [W/kg] [W/kg] [W/kg] 2

3 50 2,5 7, Przeprowadzono teŝ pomiary rezystywności wykonanych próbek. Wartości rezystywności zostały wyznaczone na próbkach prostopadłościennych o wymiarach 76 x 12 x 6 mm w oparciu o PN-90 C-82055/08 [3] metodą cztero-elektrodową. Średnia rezystywność elektryczna badanych dielektromagnetyków wynosi 11,4 mωm. 3 DŁAWIK Z RDZENIEM Z DIELEKTROMAGNETYKU Głównym celem prac było zaprojektowanie, wykonanie i pomiary właściwości eksploatacyjnych dławika z rdzeniem ferromagnetycznym z dielektromagnetyku o parametrach L=6 mh, maksymalnym prądzie I=2 A i częstotliwości pracy do 1000 Hz. Wybrano konstrukcję rdzenia kubkowego. Konstrukcja taka jest powszechnie stosowaną dla dławików z rdzeniem ferrytowym o częstotliwości pracy kilkaset khz do kilku MHz. W prowadzonych badaniach rdzeń ferrytowy zastąpiono rdzeniem z dielektromagnetyku. Na rys. 3 pokazano wykonane z dielektromagnetyku części dławika i cewkę. Rys. 3. Cewka i dwa dielektromagnetyczne części rdzenia dławika Na rys. 4 pokazano przekrój poprzeczny dławika wraz z wymiarami. Projektowany dławik jest osiowosymetryczny. Rys. 4. Przekrój poprzeczny dławika wraz z wymiarami Cewka dławika składa się ze 100 zwojów drutu o średnicy 0,7 mm. Maksymalny prąd zasilający wynosi 2 A (gęstość prądu J=5A/mm 2 ). IX Krajowa Konferencja Elektroniki 3

4 Rys. 5 przedstawia schemat ideowy dławika [4], a rys. 6 jego wykres wektorowy dla częstotliwości f=250 Hz. R Cu =0,378 Ω, L=6 mh, R Fe =74,9 Ω. Rys. 5. Schemat ideowy dławika z dielektromagnetycznym rdzeniem Rys. 6. Wykres wektorowy dla dławika dla 250 Hz 4. BADANIA DŁAWIKA Z RDZENIEM Z DIELEKTROMAGNETYKU W ramach prowadzonych prac przeprowadzono badania eksploatacyjne wykonanego modelu dławika z rdzeniem z dielektromagnetyku. Badania obejmowały m.in. pomiary indukcyjności dławika w funkcji prądu i częstotliwości. a) b) Rys. 7. a) Indukcyjność dławika w funkcji prądu dla częstotliwości f=250 Hz, b) Indukcyjność dławika w funkcji częstotliwości dla prądu I=1 A Na rys. 7 a) przedstawiono zmiany indukcyjności wraz ze zmianą prądu dla 4

5 częstotliwości 250 Hz. Jak widać na przedstawionym rysunku zmiany indukcyjności są nieliniowe i zmieniają się od 5 do 6 mh. Wyniki pomiarów indukcyjności dławika w funkcji częstotliwości przedstawiono na rys. 7 b) Pomiary wykonano dla prądu zasilania I=1A. Zmiana częstotliwości wpływa w nieznacznym stopniu na indukcyjność wykonanego modelu dławika. Jednym z parametrów, który określa przydatność dławika są straty mocy. Pomiary strat mocy wykonano poprzez pomiar prądu i napięcia zasilającego dławik i pomiar przesunięcia fazowego między nimi. Wyniki tych pomiarów pozwoliły na obliczenie strat mocy. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rys. 8. Straty całkowite składają się ze strat w uzwojeniu i w rdzeniu dławika. Straty w uzwojeniu określono na podstawie zmierzonej rezystancji uzwojenia i iloczynu kwadratu prądu. Rys. 8. Straty mocy w uzwojeniu, rdzeniu ferromagnetycznym i całkowite w dławiku w funkcji prądu dla częstotliwości f=500 Hz Temperatury uzwojenia i rdzenia w sposób istotny wpływają na parametry eksploatacyjne dławika, zbyt wysoka temperatura moŝe teŝ być przyczyną uszkodzenia dławika. Konieczne, więc były badania temperatury cewki i rdzenia dławika. Badano wpływ czasu pracy dławika na temperatury tych elementów. Pomiary temperatury wykonywano przy trzech częstotliwościach prądu. Wyniki pomiarów temperatury przedstawiono na rys 9 a i b. a) b) Rys. 9. a) Przebiegi temperatury uzwojenia dławika dla róŝnych częstotliwości, b) Przebiegi temperatury rdzenia dławika dla róŝnych częstotliwości W pierwszym okresie pracy dławika obserwujemy szybki wzrost temperatury cewki jak i rdzenia, ale po pewnym czasie ok. 45 minut temperatura pracy utrzymuje się na tym samym poziomie. Przedstawione wykresy pokazują w jak duŝym stopniu temperatura cewki i rdzenia zaleŝy od częstotliwości prądu. Im większa częstotliwość tym temperatura pracy dławika jest wyŝsza. PODSUMOWANIE IX Krajowa Konferencja Elektroniki 5

6 Jak wykazały wyniki badań moŝliwe jest wytwarzanie dławików w których zastosowano proszkowy rdzeń magnetyczny. Badania prowadzono w zakresie częstotliwości od 50 do 1000 Hz. Prace są kontynuowane. Dotyczą one dławików z rdzeniami z dielektromagnetykami umoŝliwiającymi ich prace przy prądach zasilania o częstotliwości wyŝszej niŝ 1000 Hz. BIBLIOGRAFIA [1] Somaloy 500 catalogue, Soft Magnetic Composites from Hoganas Metal Powders, [2] PN EN Materiały magnetyczne Część 6: Metody pomiaru własności magnetycznych materiałów magnetycznie miękkich metalicznych i proszkowych przy uŝyciu próbek pierścieniowych, [3] PN-90 C-82055/08 Oznaczenie oporności elektrycznej właściwej (rezystywności) na próbkach, [4] Kurdziel R. Podstawy elektrotechniki, wyd. II WNT, str , 1972 [5] Ślusarek B., Gawryś P., Przybylski M. New PM magnetic developments, Metal Powder Report, volume 65, Issue 6, June 2009, pages [6] Ślusarek B., Przybylski M. Methods of tailoring magnetic properties of magnetic composites, Proceedings of 17 th International Conference on Composites or Nano Engineering, ICCE/17, July 2009, Honolulu, Hawaii, USA. 6

7 Inductor with a dielectromagnetic core Key words: choke coil, dielectromagnetics, power losses ABSTRACT Inductors, also called choke coils, are widely applied in many electronic devices such as frequency filters or power supplies. Their purpose is, among other things, limiting changing currents with lower loss than is possible with resistors. The paper presents the design and analysis of an inductor with dielectromagnetic core with inductivity of 6 mh, and maximum current ca. 2A. The range of frequency at maximum current of 2A is 50 to 1000 Hz. For research purposes it was assumed that the core will be made of soft magnetic iron powder bonded by any binding agent. An inductor with parameters as assumed was designed. Comparison of inductors assumed and received parameters was done. Inductances and iron losses versus current and frequency were measured. Measurements were also taken of the dielectromagnetic core s temperature, as well as of the temperature of winding. Fig. 1. Dielectromagnetics prepared in ITR and iron powder called Somaloy 500 Fig. 2. Amplitude magnetization curve for soft magnetic composite ring made of Somaloy % LB1 for 200 Hz Table 1. Iron loss for Somaloy % LB1 dielectromagnetic Fig. 3. Dielectromagnetic parts and a coil of the inductor Fig. 4. Cross sections of the inductor with dimensions Fig. 5. Schematic diagram of the inductor Fig. 6. A vector diagram for the inductor at f=250 Hz Fig. 7 a) Inductance of the inductor as a function of current for f=250 Hz, b) Inductance of the inductor as a function of frequency for I=1 A Fig. 8. Losses in a coil, in soft magnetic core and total for frequency 500 Hz Fig. 9. a) Changes of temperature of winding for different frequencies for I=2A b) Changes of temperature of SMC core for different frequencies for I=2A IX Krajowa Konferencja Elektroniki 7