Основные понятия, определения магнитных цепей

ТЕМА №4 Магнитные цепи

Особенности магнитных цепей переменного тока с ферромагнитными элементами

Магнитные цепи постоянного тока

Основные понятия, определения магнитных цепей.

ТЕМА №4 Магнитные цепи

Навигационных комплексов

ТЕМА №4 Магнитные цепи

Основы электротехники и электроники

ЛЕКЦИЯ № 6

по дисциплине

для студентов направления подготовки (специальности) 162300

	Должность, уч. степень	Фамилия/ Подпись	Дата
Разработал	Доцент кафедры	Кивокурцев А.Л.	02.09.2012 г.

Иркутский филиал МГТУ ГА

кафедра Авиационных электросистем и пилотажно-

Лекция № 6

По дисциплине Основы электротехники и электроники

Тема лекции Магнитные цепи

СОДЕРЖАНИЕ

4.2.1. Законы Ома и Кирхгофа для магнитных цепей

4.2.2. Расчет магнитных цепей с намагничивающими обмотками

4.2.3. Особенности расчета магнитных цепей с постоянными магнитами

ЛИТЕРАТУРА

[1] Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. - СПб.: Издательство «Лань», 2009, с.35-62.

[8] Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Академия», 2007 г. с. 165..232.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

В электротехнике и электронике широко применяются устройства, принцип действия которых основан на явлении магнетизма. С древних пор человечеству было известно свойство некоторых предметов ориентироваться в строго определенное положение. Сейчас это явление реализовано в устройстве, которое мы называем магнитным компасом. Изучив явление магнетизма, пришли к выводу, что явлением магнетизма обладают не только постоянные магниты, но и любой проводник, по которому протекает электрический ток. Так появилось понятие электромагнетизма.

В основу принципа действия многих устройств положен принцип электромагнетизма. Это такие устройства: реле и контакторы, трансформаторы, различные электрические машины (двигатели, генераторы). Данный принцип реализован в кинескопах телевизоров, в аудио- и видео- магнитофонах и т.д.

Например, в любом видеомагнитофоне имеются следующие магнитные цепи: питающий (силовой) трансформатор; электродвигатель заправки кассеты (ленты); электродвигатель ведущего вала; датчик скорости ведущего вала; электродвигатель блока вращающихся головок; датчик скорости вращения блока вращающихся головок; магнитные головки (как минимум две) блока вращающихся головок; две неподвижные магнитные головки (одна стирающая, другая записывающе-воспроизводящая); электромагниты, переключающие режимы работы лентопротяжного механизма.

Рассмотрим, чем отличается постоянный магнит от простого куска железа. Как известно из физики, в веществах существуют определенные области, (линейный размер их составляет величину порядка 0,001 мм), обладающие определенной намагниченностью. Эти области называются доменами. В обычном куске вещества они ориентированы хаотично, но если их подвергнуть определенной обработке, то домены могут развернуться в одном направлении. Таким образом, постоянный магнит отличается от куска железа тем, что в нем все домены ориентированы в одну сторону.

Рассмотрим катушку с током (рис. 2.1).

		S

Рис. 2.1

Ток I, протекающий по катушке с количеством витков w, создает магнитодвижущую силу F = I w, которая, в свою очередь, заставляет домены вещества, расположенного вокруг катушки, ориентироваться в одном направлении. Это направление определяется по правилу право ходового винта (правило буравчика). Для графического изображения и изучения свойств магнитного поля условно вводят так называемые магнитные силовые линии, которые совпадают с направлением ориентации доменов. Магнитные силовые линии направлены от северного N полюса к южному S. Чем дальше расстояние от катушки, тем протекающий по катушке ток слабее действует на домены вещества и тем меньше интенсивность (количество на определенном участке) силовых линий.

В свою очередь, вещества, окружающие катушку с током, обладают разным количеством доменов. У одних доменов много, у других их практически нет. Поэтому, если доменов много, то соответственно количество магнитных силовых линий будет больше, и тем сильнее будут проявляться свойства магнита.

Способность вещества намагничиваться называется абсолютной магнитной проницаемостьюm_а.

Чтобы сравнивать вещества между собой, нужно какую-то величину принять за исходную. За исходную величину была принята магнитная проницаемость вакуума m₀ = 4 p × 10^-7 Гн/м (Генри/метр=В × с/(А×м)).

Иногда эту величину называют магнитной постоянной.

Теперь все вещества сравнивают относительно магнитной проницаемости вакуума.

Отвлеченное число, показывающее во сколько раз (или на какую часть) абсолютная проницаемость данного вещества отличается от магнитной проницаемости вакуума, называется относительной магнитной проницаемостью m.

Например, относительная магнитная проницаемость меди
m = 0,999991. Это число наглядно показывает, что способность к намагничиванию у меди меньше, чем у вакуума, у воздуха эта величина составляет 1,00000036.

Математически относительная магнитная проницаемость определяется

и является величиной безразмерной.

В зависимости от способности намагничиваться ( m ) различают следующие материалы:

- диамагнитные m < 1: графит – 0,999895; цинк – 0,999989; медь – 0,999991;

- парамагнитные m > 1: воздух – 1,00000036; олово – 1,000004; алюминий – 1,000023; марганец – 1,0037;

- ферромагнитные m >> 1 (максимальные значения): кобальт – 174; никель – 1120; трансформаторная листовая сталь – 7 000–15 000; чистое железо после отжига в водороде – 280 000; сплав 79 НМА (никель-молибден-алюминий) – 400 000–600 000; сплавы типа пермаллой (никель-железо – 70 000–600 000; молибден-марганец).

Совокупность устройств, содержащих ферромагнитные (и неферромагнитные) тела и образующих замкнутую систему, в которой при наличии магнитодвижущей силы образуется магнитный поток и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции, называется магнитной цепью.

Магнитная цепь предназначена для увеличения, сохранения и придания желательного направления магнитному потоку (магнитным силовым линиям).

В зависимости от вида магнитной цепи, их классифицируют:

- однородные и неоднородные;

- разветвленные и неразветвленные.

Однородные – на всей длине магнитных силовых линий сечение сердечника одинаково и состоит из одного и того же материала рис. 2.2, а.

Рис.2.2.

Неоднородные – участки магнитной цепи, имеющие разное сечение
рис. 2.2, б и рис. 2.2, г или магнитные силовые линии проходят через разные материалы рис. 2.2, в (железо + воздушный зазор).

Разветвленные – магнитные силовые линии, расходящиеся в разных направлениях рис. 2.2, г.

Неразветвленная – магнитная цепь, в которой нет разветвлений магнитного потока.

Магнитные поля постоянных магнитов, проводников с током, электромагнитов, а также магнитные свойства различных материалов характеризуются рядом магнитных величин.

Ниже изображена упрощенная магнитная цепь двухполюсной электрической машины.

Одним из основных законов, используемых при расчете магнитной цепи, является закон полного тока - циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.

Знак тока, входящего в сумму, определяется правилом правоходового винта. Если контур интегрирования охватывает катушку с током I, и имеющую w витков, закон полного тока принимает вид:

где - намагничивающая сила - скалярная величина.

Способность катушки с током создавать (возбуждать) магнитное поле называется магнитодвижущей силойF:

,

где I – величина тока, протекающего по катушке, w – число витков данной катушки.

Магнитодвижущая сила измеряется в Амперах (ампер-витках).

Магнитная величина, характеризующая интенсивность и направление магнитных силовых линий поля в каждой данной точке вакуума, называется напряженностью магнитного поля Н:

(2.1)

где l_ср – длина средней линии магнитной цепи.

Напряженность магнитного поля измеряется в Ампер/метрах (А/м) и используется при расчетах магнитных цепей.

Магнитная величина, характеризующая интенсивность и направление магнитного поля (магнитных силовых линий) в каждой точке, отличной от вакуума, называется магнитной индукцией В.

Как видно из определения, магнитная индукция отличается от напряженности магнитного поля только характером среды. Способность среды (вещества) намагничиваться – это абсолютная магнитная проницаемость:

. (2.2)

Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл), Тл = В × с/м².

Магнитная индукция является основной векторной величиной, характеризующей магнитное поле в данной точке, а напряженность – вспомогательной, применяемой при расчетах.

Магнитные силовые линии, которыми изображаются магнитные поля (их густота и направление) как раз и характеризуют магнитную индукцию поля. Другими словами, магнитные силовые линии – это линии вектора магнитной индукции.

Выражением (2.2) можно пользоваться, если значение абсолютной магнитной проницаемости постоянно при различных значениях напряженности. Это выполняется только у диа- и парамагнетиков.

У ферромагнетиков магнитная проницаемость нелинейно зависит от величины напряженности магнитного поля и известна под названием петля гистерезиса (рис. 2.3).

Кривая, показывающая зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для полностью размагниченного образца, называется кривой первоначального намагничивания. В нашем случае – это кривая ОА. Именно по этой кривой определяют значения В и Н при расчетах магнитной цепи.

На начальном участке кривая ОА носит линейный характер, но с увеличением напряженности количество несориентированных доменов уменьшается. В точке А все домены ориентированы в одном направлении, и как бы мы дальше не увеличивали МДС, магнитная индукция не увеличится (все домены развернуты).

При уменьшении магнитодвижущей силы уменьшается напряженность Н, но магнитная индукция изменяется уже по кривой АСДЕ. Когда ток в катушке станет равным нулю (Н = 0) часть доменов инерции останутся развернутыми в прежнем положении. Это показывает участок ОС, который характеризует величину остаточной индукции (остаточного магнетизма).

Рис 2.3.

Для того чтобы полностью размагнитить материал, необходимо поменять направление тока в катушке. Соответственно изменится направление напряженности магнитного поля. Пропустив по катушке ток, величину которого можно найти, исходя из длины отрезка ОД, можно полностью размагнитить материал. Отрезок ОД характеризует собой сопротивляемость образца размагничиванию и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

По площади петли гистерезиса (и некоторым другим признакам) все ферромагнитные материалы подразделяют на две группы: магнитотвердые; магнитомягкие.

Магнитотвердые материалы характеризуются большой величиной остаточного магнетизма и значительной коэрцитивной силой. Другими словами, имеют большую площадь петли магнитного гистерезиса. Из таких материалов изготавливают постоянные магниты.

Магнитомягкие материалы характеризуются малой величиной остаточного магнетизма и небольшой коэрцитивной силой. Из таких материалов изготавливают сердечники трансформаторов, реле, контакторы, магнитные усилители, магнитные головки, корпуса приборов и т.д.

Общее число линий магнитной индукции, пронизывающей данную плоскость, называют магнитным потоком Ф:

(2.3)

Единица измерения магнитного потока Вебер (1 Вб = 1 В × с).

Если магнитный поток пересекает плоскость под каким-то углом к плоскости, то выражение (2.3) принимает вид

(2.4)

где a – угол между силовыми линиями (линиями вектора магнитной индукции) и перпендикуляром (нормалью) к данной поверхности.

Разность магнитных потенциалов между двумя точками однородного магнитного поля, расположенными на одной магнитной линии, называется магнитным напряжениемU_м:

.

Единица измерения магнитного напряжения Ампер.

Дата добавления: 2014-01-14