2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Действие магнитных усилителей всех типов основано на использовании нелинейного характера кривой намагничивания ферромагнитного сердечника, являющегося основным компонентом схем магнитных усилителей. Кроме нелинейного характера зависимости процесс циклического перемагничивания сердечника характеризуется явлением гистерезиса.

При изменении величины напряженности поля в случае циклического перемагничивания сердечника (рис. V.1, а), начиная с некоторой достаточно большой величины при котором ферромагнетик близок к состоянию насыщения, прекращается увеличение площади петли гистерезиса. Кривая, соответствующая этому значению называется предельной петлей гистерезиса. Кривая, соединяющая вершины частных циклов (рис. V.1, а, жирная линия) симметричных петель гистерезиса, является основной кривой намагничивания.

Величина магнитной проницаемости характеризующая качество магнитных материалов, определяется из основной кривой намагничивания, снимаемой на постоянном токе.

Величины определяются по предельной петле гистерезиса при циклическом перемагничивании сердечника. В схемах магнитных усилителей используются магнитно-мягкие ферромагнитные материалы, для которых величина обычно меньше

Напряженность магнитного поля в сердечниках магнитных усилителей обычно значительно превышает величину коэрцитивной силы поэтому при расчете магнитных усилителей часто можно пренебречь явлением гистерезиса и заменить предельную петлю

одной линией, являющейся средней между восходящей и нисходящей ветвями петли гистерезиса, которая называется средней кривой намагничивания [5] (рис. V.1, штриховая линия).

Для некоторых типов МУ используются магнитные материалы, обладающие прямоугольной формой предельной петли гистерезиса (рис. V.1, б). Для характеристики свойств ферромагнитного материала в этом случае обычно используется величина остаточной индукции которая мало отличается от значения индукции насыщения коэффициент прямоугольной петли и значение коэрцитивной силы

Рис. V.I. Петли гистерезиса: а — семейство симметричных петель гистерезиса; — остаточная магнитная индукция; — коэрцитивная сила; максимальное значение напряженности поля; б — прямоугольная петля гистерезиса; в — идеальная прямоугольная кривая намагничивания

Для ферромагнитных материалов такого типа является характерной способность почти полностью перемагничиваться в полях, близких к и сколь угодно долго сохранять (запоминать) любое промежуточное значение индукции после снятия поля намагничивания (значение рис. V.1, б). Штриховой линией на рис. V.1, а показана средняя кривая намагничивания. В случае идеальной прямоугольной петли гистерезиса средняя кривая намагничивания имеет вид, изображенный на рис. V, 1, в, и носит название идеальной кривой намагничивания (отрезки

Характеристики магнитных усилителей в значительной степени определяются свойствами ферромагнитных материалов сердечников, а также конструкцией, размерами и технологией изготовления сердечников. Ферромагнитные материалы подразделяются на металлические, представляющие собой сплавы железа с другими элементами, и на неметаллические, оксидные ферромагнетики (ферриты).

В группу металлических магнитно-мягких материалов входят электротехнические стали, представляющие собой сплав железа с кремнием. Эти материалы обладают высокой индукцией насыщения и широко применяются в трансформаторостроении и электромашиностроении, а также в силовых МУ. Наиболее широкое применение в магнитных усилителях находят железоникелевые сплавы, содержащие легирующие присадки таких элементов, как молибдена, хрома, марганца, меди, кобальта и др.

Рис. V.2. Основные кривые намагничивания некоторых магнитно-мягких материалов — железоникелевый сплав типа пермаллой; — электротехнические стали)

Железоникелевые сплавы в зависимости от состава могут иметь свойства, значительно отличающиеся от свойств электротехнических сталей высокими значениями магнитной проницаемости, прямоугольностью формы петли гистерезиса, значением коэрцитивной силы и др.

На рис. V.2 приведены основные кривые намагничивания некоторых металлических магнитно-мягких материалов.

Для получения оптимальных характеристик магнитных усилителей рекомендуется толщину листа материала сердечника выбирать в, соответствии с формулой

где — удельное сопротивление, Ом

— частота источника питания, Гц.

Эффективное использование свойств магнитных материалов при создании высококачественных магнитных усилителей (обладающих высоким коэффициентом усиления и стабильными характеристиками при эксплуатации в тяжелых климатических условиях и при наличии вибрации и ударов) в значительной мере определяется выбором конструкции сердечника. К числу причин, вызывающих существенное ухудшение магнитных свойств сердечников по сравнению со свойствами сплава, из которого сердечники изготовлены, являются: неравномерное намагничивание отдельных участков магнитопровода, наличие воздушных зазоров в магнитопроводе, возникновение механических напряжений при сборке сердечника в процессе эксплуатации, наличие угла между направлением поля и направлением легкого намагничивания на отдельных участках магнитопровода.

Рис. V.3. Сердечник с каркасом

При выборе конструкций сердечника необходимо учитывать ряд требований: 1) максимального использования свойств, присущих магнитному сплаву; 2) возможности создания магнитных усилителей минимальной массы или габаритов при заданных значениях мощности, коэффициента усиления, стабильности и др.; 3) минимальных отходов материала в процессе производства; 4) технологичности изготовления магнитных усилителей. Наилучшее использование магнитных свойств сплава и наилучшие характеристики магнитных усилителей достигаются при использовании тороидальных (кольцевых) сердечников, навиваемых из ленты или набираемых из штампованных колец. В сердечниках этого типа отсутствуют воздушные промежутки на пути потока и рассеяние, а также достигается наиболее равномерное намагничивание сердечника по длине магнитопровода.

Магнитно-мягкие сплавы очень чувствительны к механическим напряжениям, влияние которых сказывается тем сильнее, чем выше магнитные свойства сплава. Поэтому тороидальные сердечники из железоникелевых сплавов после термической обработки помещают в защитные каркасы, предохраняющие их от механических напряжений, возникающих при намотке обмоток на сердечник. Каркасы обычно прессуют из пластмассы или штампуют из алюминия. В последнем случае (рис. V.3) крышку каркаса 1 выполняют из неметаллического материала (пластмассы). Механические напряжения, вызываемые обмотками, не оказывают воздействия на сердечник 2, если между сердечником и каркасом 3 имеется зазор. Для исключения возможности возникновения механических напряжений при вибрации и ударах сердечник в каркасе должен быть надежно закреплен. Для фиксации сердечника в каркасе иногда применяют пружинные шайбы и разного рода прокладки (бумажные, фетровые). Однако наиболее широкое применение получила заливка сердечника

эластичной массой, обладающей малой усадкой и низким коэффициентом температурного расширения. В качестве заливочной массы применяются битум, резиноподобная масса РГЛ, тиокол, минеральные смазки типа ЦИАТИМ и т. п.

Неметаллические ферромагнитные материалы (ферриты) представляют собой соединения, изготовленные из смеси окислов железа, никеля, цинка, марганца, меди и других металлов. В зависимости от состава смеси, размеров частиц и режима термообработки можно получать сердечники, обладающие различными магнитными свойствами.

Ферриты обладают очень большим удельным сопротивлением Поэтому их чаще всего применяют при работе на высоких частотах, так как потери на вихревые токи составляют ничтожно малую величину.

Сердечники из оксифера могут быть рекомендованы для магнитных усилителей при частоте источника питания до При более высокой частоте следует применять оксидные ферриты, имеющие меньшие значения магнитной проницаемости. Параметры оксидных ферритов более стабильны при изменении температуры окружающей среды и более постоянны во времени (например, в течение года изменение проницаемости может достигать Поэтому их можно рекомендовать для использования в резонансных схемах, в которых возможна некоторая компенсация ухудшенйя статических характеристик ферромагнитного материала при работе на высоких частотах.