Магнитная цепь.

Таким образом, работа электромагнитных устройств (трансформаторов, электрических машин, электромагнитных и электромеханических преобразователей) основана на проявлениях магнитного поля. Поэтому в любом электромагнитном устройстве должно создаваться магнитное поле, обладающее определенным характером. Для этого электромагнитные устройства содержат конструктивные элементы, обеспечивающие создание этого магнитного поля.

Та часть конструкции, которая предназначена для создания магнитного поля определенной конфигурации (распределение в пространстве) и необходимой интенсивности, называется магнитная цепь.

Магнитные цепи являются основной частью всех электромагнитных устройств (трансформаторов, электромагнитов, реле и т.п.) и электрических машин.

Любая магнитная цепь состоит из двух основных частей:

- источник магнитного поля

- магнитопровод.

Источник магнитного поля – элемент конструкции магнитной цепи, создающий магнитное поле. Источником магнитного поля может быть электрическая обмотка с током или постоянный магнит.

Магнитопровод - элемент конструкции магнитной цепи, обеспечивающий необходимую конфигурацию и распределение магнитного поля в пространстве (замыкание магнитного потока). Магнитопровод изготавливается, как правило, из ферромагнитных материалов.

На рис. 4.6, 4.7 показаны примеры магнитных цепей электромагнитных устройств. В магнитной цепи магнитоэлектрического измерительного механизма (рис. 4.6) источником магнитного поля служит подковообразный постоянный магнит 1. Магнитопровод, по которому замыкается магнитный поток Ф содержит несколько разнородных участков: тело постоянного магнита 1, полюсные наконечники 2, воздушный зазор цилиндрической формы.

Рис. 4.6. Магнитная цепь магнитоэлектрического измерительного механизма.

В магнитной цепи электрической машины постоянного тока (рис. 4.7) источником магнитного поля служит электрическая обмотка возбуждения ОВ. Магнитный поток замыкается по цилиндрической стальной станине 1, стальным полюсам 2, стальному сердечнику ротора 3, пересекая небольшой воздушный зазор.

Рис. 4.7. Магнитная цепь электрической машины постоянного тока.

4. 2. Свойства ферромагнитных материалов

Основная часть магнитопроводов в магнитных цепях представляет из себя ферромагнитные элементы конструкции. Это обусловлено особыми свойствами ферромагнитных материалов.

Основным свойством ферромагнетиков является способность усиливать магнитное поле.

Для объяснения этого свойства представим структуру ферромагнитного материала состоящей из мелких частиц, называемых доменами. Домен обладает своим магнитным моментом (магнитным полем), обусловленным вращением электронов вокруг атомов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты ориентированы хаотично (рис. 4.8). При этом результирующее магнитное поле не создается.

Рис. 4.8. Хаотично ориентированные магнитные моменты в ферромагнитном материале

При возникновении внешнего магнитного поля небольшой интенсивности магнитные моменты доменов частично ориентируются по направлению магнитного поля (рис. 4.9). Создается преимущественное направление магнитных моментов, которые создают результирующее дополнительное магнитное поле.

Рис. 4.9. Усиление магнитного поля в ферромагнитной среде

Таким образом, магнитное поле внутри ферромагнитного элемента оказывается сильнее, чем в вакууме. Соотношение индукции магнитного поля в ферромагнитном элементе и в вакууме:

. (4.9)

Здесь относительная магнитная проницаемость среды μ определяет, во сколько раз индукция в ферромагнитной среде больше по сравнению с индукцией магнитного поля в вакууме. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов может принимать значения от нескольких десятков до нескольких тысяч. Т.е. ферромагнитная среда усиливает магнитное поле в 10 ÷ 10000 раз.

Второе важное свойство ферромагнитных материалов – нелинейность.

При увеличении напряженности внешнего магнитного поля домены в большей степени ориентируют магнитные моменты в соответствии с направлением внешнего поля, и в большей степени усиливают магнитное поле в ферромагнитной среде. При определенной интенсивности внешнего магнитного поля абсолютно все домены полностью ориентируют магнитные моменты по направлению внешнего поля (рис. 4.10). Такое состояние ферромагнитного вещества называют насыщением. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего магнитного поля усиления не происходит, и индукция в ферромагнитной среде изменяется только за счет индукции внешнего магнитно поля.

Рис. 4.10. Насыщение ферромагнитного материала

В целом , изменение индукции в ферромагнитной среде в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля соответствует графику на рис. 4.11. Эта зависимость нелинейна и носит название кривой намагничивания. Точка а на кривой намагничивания соответствует состоянию насыщения.

Рис. 4.11. Кривая намагничивания ферромагнитного материала

Свойство нелинейности ферромагнитного материала существенно влияет на работу магнитных цепей и требует его учета при расчетах, создании и эксплуатации электромагнитных устройств.

Третье важное свойство ферромагнитных материалов – гистерезис.

Это свойство проявляется при перемагничивании ферромагнитного материала. Если уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то индукция в намагниченном ферромагнитном элементе тоже уменьшается. Однако, это уменьшение происходит в соответствии с кривой, расположенной выше основной кривой намагничивания ( участок ab на рис. 4.12).

Рис. 4.12. Петля гистерезиса ферромагнитного материала

После уменьшения напряженности внешнего магнитного поля до нуля часть доменов сохраняет преимущественное направление, что проявляется как остаточная намагниченность. При дальнейшем изменении напряженности индукция в ферромагнитном элементе изменяется в соответствии с участком bc кривой на риc. 4.12. При обратном изменении напряженности изменение индукции в ферромагнитном элементе происходит аналогичным образом (участок cda на рис. 4.12). За один цикл перемагничивания изменение индукции запаздывает от изменения напряженности в соответствии с кривой abcda . Это явление носит название гистерезис, а замкнутая кривая на рис. 4.12 называется петля гистерезиса. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, необходимой для переориентации доменов за цикл перемагничивания. Эта энергия определяет потери в магнитной цепи с переменным магнитным потоком. Поэтому для создания магнитных цепей применяются ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса (кривая 2 на рис. 4.13).

Рис. 4.13. Петля гистерезиса магнитожесткого (1) и магнитомягкого (2) материалов

Ферромагнитные материалы с широкой петлей гистерезиса (кривая 1 на рис. 4.13) называются магнитотвердыми. Из этих материалов изготавливают постоянные магниты.

Ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими. Эти материалы используют в магнитопроводах электрических машин и трансформаторов.

Таким образом, основные свойства ферромагнитных материалов:

– большая относительная магнитная проницаемость (усиление магнитного поля);

– нелинейная зависимость магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H;

– гистерезис, т.е. отставание изменения индукции магнитного поля при изменении напряженности