使用柔性线圈,绕组可以沉入可变形的表面,并且无法进行简单的分析,如第 4 节所述。
为了解决这种情况,我们使用了一个缠绕在直径为 2w 的圆柱形橡胶模型上的柔性线圈模型。 线圈采用直径为 d 的绝缘铜线紧密缠绕(匝数接触)。 包含绝缘层的导线直径为 ld,其中 l 为绝缘系数。
沿着线圈的轴是返回导体,它是罗氏线圈电路的一部分。 这有三个目的:(1)作为线圈“自由端”的返回导体,(2)补偿线圈因外部磁场而被拾取,以及(3)防止橡胶芯拉伸。 后一个功能很重要,因为如果线圈可以轻松拉伸,则匝数密度(等式 3 中的 n)将是可变的,这将影响线圈的精度。 [7]
图 2. 柔性线圈截面
图 2 显示了一段长度为 L 的线圈。橡胶模型具有直径为 2w 的圆形横截面。 橡胶的膨胀系数远高于铜。 当线圈加热并且前者膨胀,它将产生静水压力,因为它被围绕它的绕组限制径向膨胀,并且它不能轴向膨胀,因为返回导体阻止了这一点。随着温度升高,线圈的响应遵循多个阶段。
第 1 阶段 - 可逆
最初,橡胶可以膨胀到绕组之间的空间中。这可能的程度取决于前者的直径 (2w) 和导体的直径 (ld)。如果导体直径较大,则导体之间有更多空间供橡胶膨胀。如果前者的直径很小,那么试图膨胀到空间中的橡胶就会减少。
在这个阶段,线圈的互感除了由于铜的热膨胀引起的可以忽略不计的量外没有变化。线圈适应可逆膨胀的能力与比率 (ld)/w 成正比(附录 A)。该比率值较高的线圈将在更高的温度下保持恒定的互感。
第 2 阶段 - 可逆
一旦扩展到空间的可能性已经用尽,就会出现两种情况。
(a) 橡胶会在绕组之间凸出。当线圈缠绕在柔软等级的橡胶上并且没有被外层绝缘层覆盖时,这种情况更有可能发生。图 3 显示了这种情况。这种效果虽然看起来很糟糕,但实际上可能不会严重影响线圈的输出,因为匝数的面积和平均匝数密度并未受到显着影响。但是,它不会被进一步考虑。
图 3. 线圈架在绕组之间凸出
(b) 对于较硬等级的橡胶,铜绕组或中心导体将拉伸以适应膨胀的橡胶。哪个铜元件拉伸将在稍后确定,但拉伸的效果是改变线圈热时的互感。只要不超过铜的屈服应力,线圈在冷却时就会恢复到原来的互感。
第 3 阶段 - 不可逆转
超过铜的屈服点,线圈的互感会永久受到影响,并且不会恢复到其原始值。是高于还是低于原始值取决于哪个铜元件被拉伸。如果中心导体拉伸,则互感会降低,因为匝数密度(等式 3 中的 n)会降低。如果绕组拉伸,则互感会增加,因为面积(等式 3 中的 A)增加了。哪一个伸展取决于两个组件的相对强度。
随着橡胶温度的升高,膨胀会产生静水压力 P,该压力由绕组和中心导体抵抗。从图 2 中,对于长度 L 的线圈,绕组线上的总力为:
线数为2L/ld,铜的总面积为:
忽略绝缘的铜上的环向应力(力/铜面积)为:
中心导体上的轴向力为 P x(橡胶的横截面积)= P w2。
如果中心导体的横截面积为 Acen,则中心导体上的应力为:
假设两个铜元件具有相同的屈服应力,轴向延伸会导致互感降低的条件是:
当这个条件不满足时,线圈会径向膨胀,互感会增加。
在这一点上值得注意的是,防止成型材料膨胀对线圈的铜部件施加应力的一种方法是使用可以以某种方式吸收压力的成型材料。 这种方法的一个实际困难是材料可能具有更柔软的表面,并且在缠绕过程中保持恒定的横截面变得更加困难。 尽管这项技术非常值得追求,但这里不再进一步考虑。