Индуктора и загрузкой

Силовое взаимодействие между витками

Механическое взаимодействие магнитного ноля с проводниками, несущими электрический ток, является одним из важнейших свойств электромагнитного поля. Оно было обнаружено впервые еще в 20-х годах прошлого столетия в опытах Эрстеда и Ампера. Экспериментально было найдено выражение для электромагнитной силы, с которой магнитное поле с индукцией В воздействует на элементарный проводник dl с током I

Сила F максимальна, если dl и В взаимно перпендикулярны.

Эта сила перпендикулярна dl и В, она измеряется в ньютонах [Н]. Если угол а между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции не равен 90°, то сила будет пропорциональна sin а, т. е.

Если угол между dl и В равен нулю, то векторное произведение

(5-1) равно нулю и F также равна нулю, т. е. магнитное поле не

иcпыnsвает механического воздействия на проводник с током, направленным вдоль силовой линии поля.

При взаимно перпендикулярном расположении провода и индукции магнитного поля направление действия силы определяют по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца вытянуть в направлении тока, то отогнутый большой палец покажет направление действующей силы.

Рис. 28. Воздействие электромагнитной силы F на шины с током

Взаимодействие магнитного ноля с токонесущим проводником имеет место вне зависимости от того, подведен ток к проводнику кондуктивно (от внешнего источника) или ток индуцируется в проводнике этим же полем.

Механические силы, возникающие в магнитном поле, часто называют электродинамическими силами, подчеркивая этим названием то обстоятельство, что под их действием в индукционной установке может возникнуть перемещение тел. Наличие значительных электродинамических усилий в элементах индукционных установок следует учитывать при их проектировании и эксплуатации.

Рассмотрим некоторые характерные для индукционного нагрева случаи силового взаимодействия.

Две параллельные шины

Пусть по двум прямым шинам, удаленным друг от друга на расстояние 2а, проходят токи I1 и I2 одного направления (рис. 28, а) или противоположных направлений (рис. 28, б). Правая шина 2 с током I₂ находится в магнитном поле левой шины с индукцией B₁₂- Следовательно, на элемент dl шины 2 действует электромагнитная сила F₁₂, равная

Направление вектора индукции В ₁₂ определяем по правилу

буравчика — в данном случае В₁₂ в зоне расположения шины 2

направлен сверху вниз. Направление действия силы F₁₂ находим

по правилу левой руки, расположив ладонь лецон руки, как описано выше, в зоне протекания тока I₂. В данном случае сила F₂₁ направлена влево. Рассуждая аналогично, найдем, что сила F₂₁, действующаяна шину 1 со стороны магнитного поля, создаваемого шиной 2 в зоне расположения шины 1, направлена навстречу силе F₁₂

Легко заметить, что во всеx случаях (и том числе и при I₁≠I₂) силы, действующие на обе шины, равны между собой, т. е.

Если токи в шинах имеют разные направления (см. рис. 28, б), то нетрудно убедиться, что в этом случае электромагнитные силы F12 ^и F21, действующие на шины, тоже имеют противоположные направления.

Таким образом, шины с токами одного направления притягиваются друг к другу, а шины с токами противоположных направлений отталкиваются друг от друга (не путать с эффектом близости).

Усилия, возникающие в реальных установках, могут достигать значительных величин, могущих привести, например, к деформации шин. Поэтому шины должны быть достаточно жесткими, а крепящие их элементы должны быть достаточно часто по длине шинопровода, чтобы исключить замыкание шин между собой или замыкание крайних шин на окружающие шины конструктивные элементы.

Вырежем элемент индукционного нагревателя, состоящий из нескольких витков индуктора (на рис. 17.3, а показано три витка) и загрузки. Индуктирующие витки несут токи одного направления (на рис. 17.3, а показаны крестиками). Пунктирными линиями показаны силовые линии поля, создаваемые i-тым витком в зоне расположения соседних (i + 1 и i — 1) витков. Так же, как и в предыдущем случае при одинаковом направлении токов, получим, что соседние витки индуктора притягиваются друг к другу с силами, лежащими в вертикальной плоскости, и соответственно равными: F₂₁ = F₁₂. F₃₂ = F₂₃ и т. д. Это означает, что в средних витках индуктора возникают растягивающие напряжения (поскольку силы рассредоточены по высоте сечения индуктирующего провода), и если виток достаточно жесткий, то деформация витка отсутствует (за исключением крайнего витка, на который действует сила нескомпенсированная F₂₁)-

Однако эта картина будет неполной, если не учесть также взаимодействие индуктирующего провода с токами, индуцированными в загрузке Iз. Поскольку эти токи имеют противоположное направление (показаны на рис. 17.3, а точками), силы взаимодействия между индуктором и загрузкой являются отталкивающими. При симметричном расположении твердой нагрузки в индукторе силы, действующие по ее периметру, взаимно компенсируются и не оказывают на загрузку «смещающего» действия. Что же касается индуктора, выполняемого обычно из меди, то здесь растягивающие усилия, могут достигать значительных величин, достаточных для деформации его витков, особенно в индукторах в виде соленоида прямоугольного сечения. Поэтому при конструировании индукторов принимают меры для обеспечения дополнительной жесткости конструкции в радиальном направлении (например, подпирают их пакетами из магнитопровода и т. п.).

Мгновенное значение электромагнитной силы F, являющейся произведением двух синусоидальных величин, изменяющихся во времени с частотой ω, пульсирует с двойной частотой 2ω). При этом, хотя в каждый момент времени направления действия сил, рассмотренных выше, не меняются, их мгновенные значения изменяются дважды за период изменения силы тока от максимального (амплитудного) значения до нуля. Это приводит к возникновению в системе механических колебаний с частотой 2ω. В тех случаях, когда собственная частота колебаний загрузки или элементов металлоконструкций близка к частоте 2ω, амплитуда колебаний (вибрации) в системе может достичь недопустимо больших значений. На практике вибрация достигает значительных величин в установках промышленной частоты при больших удельных мощностях. При их конструировании это обстоятельство должно приниматься во внимание.

Дата добавления: 2014-01-07