Wie bestimme ich den Sicherheitsabstand zu einer Drossel, um ein versehentliches Koppeln zu verhindern?

In den meisten meiner Stromrichteranwendungen habe ich irgendwo in einem Stahlgehäuse eine Drossel mit einer Beschreibung. Ich habe Situationen gesehen und gehört, in denen der Choke mit dem Stahl des Chassis gekoppelt ist. In einigen Fällen erwärmen sich die Wicklungen stärker als gewünscht, ebenso wie ein Teil der Box. In anderen Fällen hat die Box selbst die Pulverbeschichtung vom Metall abgebrannt. Die allgemeine Lösung bestand darin, die Wicklungen vom Stahl sowie jeglichen Kernspalt fernzuhalten.

"Weg" ist jedoch ein vager Begriff. Gibt es eine Regel, die ich befolgen kann, um die Sicherheitsabstände zu bestimmen, die erforderlich sind, um eine Kopplung zu verhindern? Beispielsituationen sind:

• Abstand zwischen Wicklung und Stahlkasten
• Abstand zwischen Choke-Spalt und Stahlbox
• Abstand zwischen Luftkerndrossel und Stahlkasten

Ich stelle mir vor, dass eine genaue Lösung von einer detaillierten Geometrie des Systems abhängt, daher werden allgemeine Regeln bevorzugt.

Es hängt davon ab, ob. Und es gibt keine festen Regeln. Der größte Faktor ist das Design der Drossel / Induktivität. Es gibt einige Induktoren, die ohne negative Auswirkungen direkt gegen Stahl platziert werden können. Andere Induktoren mit dem gleichen Design können große Probleme haben. Die Art des Kerns hat eine große Wirkung (Luftkerne sind wahrscheinlich die schlechtesten, Torroid ist die beste), aber es gibt genug Variabilität, dass es schwierig ist, gute Faustregeln zu geben, die immer funktionieren.

Am Ende müssen Sie es versuchen und sehen, was passiert. Nehmen Sie den Prototyp, schalten Sie ihn ein, schwenken Sie ein Stück Stahl herum und messen Sie, wie sich dies auf Ihr Gerät auswirkt. Sie werden in 10 Minuten mehr darüber lernen, dann werden Sie alle Antworten wie meine lesen!

Abgesehen davon ist hier meine Erfahrung: Ich entwerfe viele DC / DC-Wandler im Bereich von 1 bis 50 Watt. Ich verwende die typischen handelsüblichen Leistungsinduktoren mit pulverisierten Eisenkernen, die für solche Dinge geeignet sind. Metall muss sich innerhalb eines Abstands von etwa 0,1 bis 0,2 Zoll von der Oberseite befinden, bevor ein spürbarer Effekt auftritt. Aber wie ich bereits sagte, wird Ihre Laufleistung (Kilometer?) Sicher variieren und nehmen Sie nicht mein Wort dafür!

Die kurze Antwort besteht darin, Lücken oder Wicklungen von Fremdleitern und Eisenmetallen fernzuhalten. Verwenden Sie abgeschirmte Induktivitäten und halten Sie den Spalt im Kern und in den Wicklungen. Natürlich haben auch hochgeschirmte Kerne wie Topfkerne kleine unbeabsichtigte Lücken, in denen sich der Kern verbindet. Und in Wirklichkeit hält selbst Ferrit nicht das gesamte Feld im Inneren. Aber die Lücke im Mittelbein eines Topfkerns zu halten, ist ungefähr das Beste, was getan werden kann.

Sobald Sie sich von vollständig abgeschirmten Kernen entfernen, werden die Dinge komplizierter. Was Sie für sich haben, ist das Feld selbst. Magnetische Energie ist Nahfeldmaterial. EM-Wellen dämpfen sich um$\frac{1}{R}$weg von ihrer Quelle. E Felder fallen ab als$\frac{1}{R^2}$. Energie aus einem Magnetfeld fällt ab als$\frac{1}{R^3}$.

Hier ist ein Beispiel (angepasst an eine Arbeit, die ich vor langer Zeit gemacht habe), wie Magnetfeldsäume in der Nähe einer Lücke aussehen und wie sie mit der Entfernung in den Freifeldbereich fallen:

Abbildung zeigt eine semi-unendliche Lücke. Die Spaltlänge beträgt 1 mm in y, die Spanne ist in allen z und negativen x unendlich. Die Randfläche beträgt 2,5 Spaltlängen, wobei das Feld um etwa 98% abnehmen würde. Von den drei Feldtypen müssen Sie also nicht so weit entfernt sein, um die Exposition gegenüber einem Magnetfeld zu begrenzen.

Eine Lücke Faustregel ... und warum Sie es nicht blind verwenden können

Als Faustregel für Lücken gilt, dass sich der Rand normalerweise um den Betrag der Spaltlänge vom Kern weg erstreckt. Angenommen, Sie haben einen Spalt von 1 mm und dann 1 mm von Spalt und Kern entfernt. Die Feldstärke verringert sich um 85 bis 90% des Spaltes.

Bedeutet das, dass alles, was 1 Spaltlänge entfernt platziert wurde, ein niedriges Feld enthält? Nee. Hier ist, was Sie nicht für Sie haben. Das Magnetfeld findet immer den Weg mit der niedrigsten verfügbaren Reluktanz (oder höchsten Permeabilität). Wenn ein ferromagnetisches Material in der Nähe der Lücke platziert wird, wird das Feld vom Freifeldfall verzerrt. Hier ist ein Beispiel dafür, wie dies für ferromagnetisches Material etwa 2 Spaltlängen vom Spalt entfernt aussieht:

Abbildung aus: A. Keyhani, "Minimum Loss Design eines 100-kHz-Induktors mit Litzendraht", IAS Proceedings 1997.

Sie können sehen, wie die Feldlinien durch das ferro-magnetische Material verzerrt werden. Dies würde ungefähr 20% des Randbereichsfeldes in das externe Material einbringen, um Wirbelstromverluste zu erzeugen. Sie möchten also wahrscheinlich mindestens 5 Spaltlängen zwischen dem Spalt und dem externen Stahlgehäuse haben.

Einige Richtlinien:

• Wenn Sie nur den Abstand verwenden, müssen Sie mindestens 5 Spaltlängen zwischen dem Spalt und ferromagnetischen Strukturen haben.
• Der Abstand gilt auch für Wicklungen aufgrund von Nahbereichseffektverlusten. Zusätzlich würden bei Wicklungen Koronaeffekte bei externen Leitern ein Problem darstellen.
• Es ist am besten, den Abstand nicht alleine zu verwenden. Verwenden Sie abgeschirmte Kerne und vergraben Sie den Spalt im Kern (Mittelpfosten) und unter der Wicklung (Sie müssen Wirbelstromverluste beim Wickeln berücksichtigen, wenn dieser zu nahe am Spalt liegt).
• Für die Abschirmung sind Topfkerne mit Mittelspaltlücken die beste Wahl (obwohl diese oft nicht die besten Wicklungsquerschnitte haben). Fast genauso gut sind EE-Kerne (und ihre ganze Familie wie EP und LP) und Toroide. Das einzige, was an Toroiden ist, ist, dass sie ein Material mit niedriger Perm (für Induktoren) mit einem verteilten Spalt sind, so dass ein Leckfluss (mehr als ein Material mit hoher Perm) auftritt. Auch für einen Toroid möchten Sie sicherstellen, dass die Wicklung gleichmäßig um den Kern verteilt ist.
• Wenn Sie laminierte Kerne (wie geschnittene Kerne) verwenden, stellen Sie sicher, dass sich die Lücke (n) unter den Wicklungen befinden, um Leckagen zu minimieren.

Jenseits von Abständen und standardmäßigen abgeschirmten Kernen:

• Manchmal ist es möglich, den gesamten Induktor, einschließlich des Kerns, in einen koaxialen Kupfermantel zu wickeln, um als externe kurzgeschlossene Windung zu wirken. Die Idee ist, zuzulassen, dass ein Feld, das aus der Induktorstruktur entweicht, einen Strom in der Hülle verursacht, der ein Feld erzeugt, das die Felder außerhalb der Hülle aufhebt.
• Luftkernmaterial ist wirklich schlecht für die Abschirmung. Die Lückenlänge impliziert, dass die Felder nicht enthalten sind. Sie können einen Flussbewahrer mit hoher Dauerwelle außerhalb der Wicklung und ein Material mit verteiltem Spalt innerhalb der Wicklung in Betracht ziehen, um die Felder aufzunehmen.