Классы ферромагнитных материалов

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 10Следующая ⇒

Важнейшей характеристикой ферромагнитных материалов является зависимость магнитной индукции В от напряжённости магнитного поля Н, т. е. В = f(Н). В зависимости от величины коэрцитивной силы и формы петли гистерезиса ферромагнетики подразделяют на три класса:

- магнитно-мягкие материалы с узкой круто поднимающейся петлёй гистерезиса с Hc< 200 А/м (рис. 6.5, кривая 1). Их используют в трансформаторах, асинхронных двигателях и других устройствах переменного тока, т. е. там, где требуется иметь малые потери при перемагничивании – в магнитопроводах с большими переменными индукциями.

К магнитно-мягким материалам относится электротехническая сталь, технически чистое железо, литая сталь и др.;

- магнитно-твердые материалы с коэрцитивной силой Hc> 4000 А/м (рис. 6.5, кривая 2). Их применяют для изготовления постоянных магнитов, которые должны иметь большие значения Hc. К ним относятся литые сплавы на основе Fe-Co-Ni-Al типа ЮНДК, бариевые сплавы (марки БИ), металлокерамические сплавы (ММК), сплавы кобальта с самарием, гадолинием и др.;

- специальные магнитные материалы, характеризуемые либо особой формой петли гистерезиса, например, прямоугольной (ферриты марки Вт и др.), либо специфическими свойствами: с сильной зависимостью магнитных свойств от температуры (сплавы никеля с медью марки Н38Х14 и др.); со значительными изменениями геометрических размеров при перемагничивании (магнитострикционные материалы из сплава железа с 14% алюминия и никеля или из сплава железа и кобальта марок НП-2-Т, 50КФ, 14НЮ); железокобальтовые сплавы - пермендюр с максимальной индукцией насыщения до 2, 4 Тл; пермаллои (сплавы железа с никелем и добавками других металлов марок 79НМ, 80НХС и др.), имеющие большую магнитную проницаемость в слабых магнитных полях, и др.

.1.7.2. Кривые намагничивание магнитно-мягких материалов

На рис. 6.6 приведены кривые намагничивания электротехнической стали (сплавов на основе железа с присадкой кремния от 4 до 4, 8% и других элементов) марок: 3411 (листовая холоднокатаная, кривая 1), 1512 и 1212 (листовые горячекатаные, кривые 2 и 3) толщиной 0, 28…0, 6 мм, литой стали 10895 (кривая 4) и пермаллоя 50НП (кривая 5).

Наибольшие магнитные индукции для электротехнических сталей, получаемые при практически целесообразных напряжённостях магнитного поля, составляют 1, 5…1, 9 Тл. Цифры в обозначениях марок электротехнических сталей определяют содержание кремния, удельные магнитные потери энергии и другие показатели.

Площадь гистерезисной петли определяет расходуемую энергию в единице объёма ферромагнетика (нагревание магнитопровода) на преодоление упругих сил для принудительного поворота векторов намагниченности доменов в течение одного цикла перемагничивания. Потери энергии в магнитопроводе складываются как из потерь из-за гистерезиса – явления отставания изменения В от изменения Н, так и от протекания вихревых индуктированных в магнитопроводе токов. Вихревыми токами называют электрические токи проводимости, возникающие и замыкающиеся внутри электропроводного магнитопровода, находящегося в переменном магнитном поле. Потери, связанные с вихревыми токами, будут тем меньше, чем больше удельное сопротивление ферромагнитного материала и меньше толщина листов магнитопровода. Из этих листов штампуют пластины требуемой конфигурации; из изолированных друг от друга пластин составляют магнитопровод.

Постоянные магниты

Постоянные магниты выполняют из литого чугуна, литой стали или из толстых штампованных листов стали с почти прямоугольной петлёй гистерезиса: с высокой остаточной индукцией Вr и большой коэрцитивной силой Hc (рис. 6.7, а). Они характеризуются левой ветвью: от Br = 1, 35…0, 6 Тл до - Нс (|Нс| = 40…200 кА/м), для которых энергия размагничивания на единицу объема

(6.4)

составляет 7…80 кДж/м3.

Сила тяги электромагнита

Определим силу тяги электромагнита с двумя одинаковыми полюсами, т. е. силу притяжения якоря (пластины или листа из ферромагнитного материала) к его полюсам (рис. 6.7, б). Как известно из повседневного опыта, якорь притягивается к полюсам магнита, т. к. магнитные силовые линии в зазорах между электромагнитом и якорем стремятся сократиться.

При относительно небольших зазорах d между полюсами электромагнита и якорем можно считать неизменным магнитный поток Ф = Iw/RMЭ в электромагните, как и магнитную индукцию В и напряженности магнитного поля Н различных участков электромагнита. Механическая работа перемещения якоря может быть произведена в этом случае только за счёт уменьшения энергии BrНсV/2, заключенной в пределах некоторого объема V (в нашем случае V = 2dSм, где 2Sм - площадь полюсов электромагнита; d - длина зазора), делённой на перемещение якоря на величину dd (при этом объём уменьшается на 2Sмdd), т. е.

где Fс – в ньютонах [H]; Br » const в теслах [Тл]; Sм - в квадратных метрах.

При наличии одного зазора между полюсом электромагнита и якорем, как в реле клапанного типа, следует учитывать площадь поверхности одного полюса.

Трудность расчёта реальных электромагнитов заключается в трудности вычисления эквивалентного магнитного сопротивления RMЭ магнитной цепи с учётом неоднородности поля и в трудности учёта потока рассеяния, выходящего через боковые поверхности магнита.

6.2.1. Назначение и типы магнитных цепей

Магнитная цепь - это совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока и разности магнитных потенциалов.

Различают:
- магнитные цепи с постоянными магнитами;
- магнитные цепи, в которых магнитный поток создается постоянным или переменным током, протекающим в одной или нескольких обмотках, размещённых на ферромагнитных сердечниках.

Обычно в электромагнитных устройствах стремятся на пути магнитного потока разместить ферромагнитные материалы 2 с относительной магнитной проницаемостью m = 500…5000, чтобы уменьшить величину тока намагничивающей обмотки 1 (рис. 6.8, а). Однако между частями магнитопровода неизбежны воздушные зазоры (рис. 6.8, б), или магнитопровод специально изготавливают с регулируемым зазором 3 (см. рис. 6.8, а) с магнитной проницаемостью mа » m0 = 4p × 10-7 Гн/м.

В низкочастотных устройствах (f < 1000 Гц) катушки размещают на ферромагнитных сердечниках, что приводит к многократному усилению магнитных потоков и их концентрации в самом ферромагнитном материале, и, как следствие, создается нужная конфигурация магнитного поля и магнитной цепи. Например, в четырёхполюсном генераторе постоянного тока (рис. 6.8, б), катушки 4 возбуждения магнитного потока Ф размещены на полюсах статора; магнитные силовые линии проходят через соседние северный N и южный S полюсы, замыкаясь через статор 3 и цилиндрический якорь 1, при вращении которого в расположенной на нём обмотке индуктируется ЭДС. С помощью коллектора и щёток 2 обмотка якоря подключается к приёмнику энергии.

Если вся магнитная цепь выполнена из одного ферромагнитного материала и имеет одинаковое сечение, то она называется однородной . Магнитная цепь, содержащая материалы с различными магнитными свойствами или имеющая воздушные зазоры, называется неоднородной . Магнитная цепь, во всех сечениях которой магнитный поток Ф одинаков, называется неразветвлённой. В разветвлённой магнитной цепи потоки на различных участках неодинаковы.

Проявления магнитного поля

В ХIX в. рядом учёных установлена теснейшая связь между магнитными и электрическими явлениями, открыты индукционное и электродинамическое воздействия магнитного поля, лежащие в основе функционирования большинства современных электротехнических устройств.

В частности, в 1820 г. Ампер произвёл опыты, в которых обнаружил механическое воздействие ( электродинамическое действие ) магнитного поля на проводник с током и между проводниками с токами. В магнитном поле всегда запасена энергия, Она соответствует работе, затраченной на создание поля, и преобразуется в другие виды энергии, когда поле исчезает. Величину механической силы определяют, приравнивая механическую работу перемещения проводника изменению магнитной энергии поля.

В 1831 г. Фарадей сообщил об открытии явления электромагнитной индукции. Он обнаружил индукционное действие магнитного поля - возникновение электрического тока в контуре, движущемся относительно магнита или относительно другого контура с током.

В 1833 г. Ленц установил правило определения индуктированного тока, выражающее фундаментальный принцип электродинамики - принцип электромагнитной инерции, а в 1873 г. Максвелл изложил в математической форме и расширил основные физические идеи Ампера, Фарадея и Ленца.

Закон Ампера

Закон Ампера устанавливает связь между механической силой, магнитной индукцией, током и длиной проводника: сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению магнитной индукции, тока и длины отрезка проводника, перпендикулярного магнитной индукции , т. е.

(6.5)

где Fс - механическая сила, Н (ньютон) - перпендикулярная проводнику (и току) составляющая магнитной индукции, Тл; l - длина проводника, м; I - ток, А.

Направление механической силы определяют по известному правилу левой руки (рис. 6.9): если расположить левую руку так, чтобы м. с. л. входили в ладонь, а выпрямленные четыре пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый большой палец укажет направление действия силы. Закон Ампера лежит в основе функционирования электрических двигателей, реле и других электромагнитных устройств.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒