Магнитные цепи. Основные законы магнитных цепей.

Рис. 1

Для концентрации магнитного поля и придания ему желаемой конфигурации отдельные части электротехнических устройств выполняются из ферромагнитных материалов. Эти части называют магнитопроводами или сердечниками.Магнитный поток создается токами, протекающими по обмоткам электротехнических устройств, реже – постоянными магнитами. Совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и образующих замкнутую цепь, вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции, называют магнитной цепью.В основу расчета магнитных цепей положены известные из курса физики закон полного тока

и принцип непрерывности магнитного потока

.Закон полного тока говорит о том, что линейный интеграл (циркуляция) вектора напряженности вдоль произвольного замкнутого контура длиной l равен алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром. Магнитодвижущей силой F (МДС) или намагничивающей силой (НС) катушки или обмотки с током называют произведение числа витков катушки w на протекающий по ней ток I. МДС wI вызывает магнитный поток в магнитной цепи подобно тому, как ЭДС вызывает электрический ток в электрической цепи. Как и ЭДС, МДС есть величина направленная (положительное направление на схеме обозначают стрелкой). При расчете магнитных цепей в большинстве случаев принимают допущения, которые позволяют перейти от интегральных выражений к алгебраическим и пользоваться методами расчета электрических цепей.Допущения, принимаемые при приближенном расчете магнитной цепи, следующие: 1) пренебрегают потоками рассеяния, т.е. принимают магнитный поток в любом поперечном сечении неразветвленного магнитопровода постоянным; 2) магнитную индукцию во всех точках сечения магнитопровода принимают постоянной и расчет магнитной цепи ведут по средней линии магнитопровода; 3) магнитное поле в воздушном зазоре принимают однородным.

37.Применение ферромагнитных материалов и их основные характеристики.

Свойства ферромагнитных материалов принято характеризовать зависимостью магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H. Различают два основных типа этих зависимостей: кривые намагничивания и гистерезисные петли.

Под кривыми намагничивания понимают однозначную зависимость между B и H. Кривые намагничивания подразделяют на начальную, основную и безгистерезисную.

Различают несколько типов гистерезисных петель – симметричную, предельную и несимметричную (частный цикл).

На рис.1 изображено семейство симметричных гистерезисных петель.

Для каждой симметричной петли максимальное положительное значение B равно максимальному отрицательному значению B и соответственно .

Геометрическое место вершин симметричных гистерезисных петель принято называть основной кривой намагничивания. При очень больших H вблизи восходящая и нисходящая части гистерезисной петли практически сливаются.

Предельной гистерезисной петлей или предельным циклом называют симметричную гистерезисную петлю, снятую при очень больших . Индукцию при называют остаточной индукцией и обозначают .

Напряженность поля при называют задерживающей или коэрцитивной силой и обозначают .

Участок предельного цикла принято называть кривой размагничивания или “спинкой” гистерезисной петли.

Этот участок используют при расчетах магнитных цепей с постоянными магнитами и магнитных элементов запоминающих устройств вычислительной техники.

Если изменять H периодически и так, что , то зависимость между B и H будет петлевого характера, но центр петли не совпадает с началом координат. Такие гистерезисные петли принято называть частными петлями гистерезиса, или частными циклами. Когда предварительно размагниченный ферромагнитный материал ( ) намагничивают, монотонно увеличивая H, получаемую зависимость между B и H называют начальной кривой намагничивания. Начальная и основная кривые намагничивания настолько близко расположены друг к другу, что практически во многих случаях их можно считать совпадающими.

Безгистерезисной кривой намагничивания называют зависимость между B и H, возникающую, когда при намагничивании ферромагнитного материала на него воздействуют полем, имеющим кроме постоянной составляющей еще и затухающую по амплитуде синусоидальную составляющую. При этом гистерезис как бы снимается. Безгистерезисная кривая намагничивания весьма резко отличается от основной кривой.

39.Особенности электромагнитных процессов в магнитных цепях переменного тока. При работе ферромагнитного материала в переменных магнитных полях происходит быстрое перемагничивание под действием периодического магнитного поля. Магнитное состояние меняется по симметричной петле, называемой петлей динамического перемагничивания. Эта петля похожа по форме на статическую петлю гистерезиса, но отличается от нее по размерам. Динамическая петля шире статической, причем эта разница увеличивается с ростом частоты. Площадь динамической петли пропорциональна не только потерям на гистерезис , но и потерям от вихревых токов . Потери от вихревых токов, как и потери от гистерезиса, идут на нагревание ферромагнитного материала. Вместе эти потери называются потерями в магнитопроводе или магнитными потерями .

Потери на гистерезис вызываются необратимыми процессами в ферромагнитном материале при перемене ориентации областей самопроизвольного намагничивания. Определяются по приближенной формуле ,

где - коэффициент, зависящий от сорта материала, f – частота, - амплитуда магнитной индукции, - масса сердечника.

Потери от вихревых токов обусловлены токами, индуктированными в ферромагнитном сердечнике переменным магнитным потоком. Эти токи замыкаются в самой массе металла в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока. Они нагревают сердечник, вызывая дополнительные потери энергии. Для уменьшения вихревых токов необходимо уменьшить площадь контура, охватываемого вихревыми токами. При этом увеличивается сопротивление на пути токов. Поэтому с целью уменьшения потерь от вихревых токов сердечники собирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Плоскость листов должна быть параллельна направлению магнитного потока. Обычно при частоте 50 Гц используются листы толщиной 0.35 мм и 0.5 мм. Для более высоких частот толщина уменьшается до 0.02¸ 0.05 мм. Потери от вихревых токов пропорциональны квадрату частоты ,

где - коэффициент, зависящий от сорта материала и толщины листа.

Вихревые токи оказывают также размагничивающее действие, так как создают магнитное поле, направленное встречно по отношению к магнитному полю, их индуктирующему.

Как видно из приведенных формул, потери в магнитопроводе, равные сумме потерь от гистерезиса и вихревых токов, можно считать пропорциональными квадрату амплитуды магнитной индукции.

Зависимость удельных потерь в магнитопроводе (потерь в 1 кг материала) от величины амплитуды магнитной индукции при заданной частоте является одной из основных характеристик ферромагнитного материала в переменных магнитных полях.

Другой важной характеристикой является зависимость между амплитудными значениями магнитной индукции и напряженности поля , называемая динамической кривой индукции. Эта характеристика не точно отображает процессы в ферромагнитном материале, однако является более простой и вместе с зависимостью позволяет достаточно точно вести расчет электромагнитных устройств.

При испытании ферромагнитных материалов распространен метод амперметра и вольтметра. В этом методе измеряют действующее значение тока в обмотке, намотанной на образец, а затем по этому току рассчитывают действующее значение Н. В этом случае часто строится непосредственно зависимость между амплитудой магнитной индукции и действующим значением напряженности поля H: .

При работе ферромагнитных материалов в переменных магнитных полях из-за нелинейной зависимости между мгновенным значением магнитной индукции и мгновенным значением напряженности поля индукция и напряженность представляют собой различные функции времени. Если индукция является синусоидальной функцией времени , то кривая напряженности поля будет иметь несинусоидальный характер. Кроме этого, вследствие наличия потерь в магнитопроводе кривая напряженности будет сдвинута по фазе в сторону опережения относительно кривой магнитной индукции.

Угол сдвига фаз a между и называется углом магнитного запаздывания или углом потерь. По мере увеличения амплитуды магнитной индукции в кривой напряженности поля появляется кратковременный пик. Этот пик соответствует значению и вызывается насыщением ферромагнитного материала.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: