4. Магнитная цепь

Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части электрической машины, аппарата или прибора и уменьшить мощность, потребляемую катушкой электромагнита, создающего это поле, в конструкции этих устройств широко применяют различные элементы из ферромагнитных материалов. Совокупность таких эле­ментов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод или магнитную цепь электрической машины, аппарата или прибора. Например, магнитная цепь электромагнитного реле (рис. 49, а) состоит из трех участков: сердечника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному эти­ми участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током ка­тушки 1. При переходе через воздушные зазоры, разделяющие сер­дечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т. е. не проходит через якорь, — возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины постоян­ного тока создается током катушек 7 (рис. 49, б), расположенных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуждения. Создавае­мый ими магнитный поток проходит через сердечники полюсов, вращающуюся часть машины — якорь 9, воздушные зазоры 11 между полюсами и якорем и з амыкается через остов 10.

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнитное поле оценивается его магнитодвижущей силой (м. д. с). Магнитодви­жущая сила F измеряется в амперах. Магнитодвижущая сила провод­ника с током I равна силе этого тока: F=I.

В общем случае, когда какой-либо замкнутый контур охватывает несколько токов (показан на рис. 50, а штриховой линией), суммар­ная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме

F = ∑I.

Для случая, показанного на рис. 50, а,

F=I₁-I₂+I₃

М агнитодвижущая сила катушки (рис. 50, б) представляет произ­ведение тока I на число ее витков ω. Это объясняется тем, что замкну­тый контур магнитной цепи (показан штриховой линией), сцепленный с катушкой, охватывает ток I не один, a ω раз, т. е.

Е = Iω. (45')

Закон Ома для магнитной цепи. Для лучшего понимания условий возникновения магнитного поля в магнитных цепях целесообразно провести аналогию между магнитной цепью и цепью электрической. Это можно сделать, например, для простейшей магнитной цепи, на всем протяжении которой напряженность Н магнитного поля постоян­на. Для такой цепи произведение напряженности Н на длину l маг­нитной цепи по всему ее замкнутому контуру равно алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром,

Hl = ∑I = F

Эта формула выражает закон полного тока для рассматриваемой магнитной цепи. Сумма токов ∑I, пронизывающих какой-либо зам­кнутый контур, называется полным током; отсюда и получил свое название этот закон.

Если в эту формулу подставим напряженность Н, заменив индукцию В, то получим зависимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы F и параметров данной магнитной цепи, т. е. от ее магнитного сопротивления r_м. Эта зависимость называется законом Ома для магнитной цепи. Он формулируется следующим образом. Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, деленной на маг­нитное сопротивление цепи,

Ф = F/r_м.

Магнитное сопротивление r_м = l (μ_aS) зависит от длины l маг­нитной цепи, поперечного сечения S и магнитной проницаемости μ_a.

Например, магнитный поток Ф, созданный катушкой с числом вит­ков ω,

Из этой формулы следует, что действие магнитодвижущей силы ана­логично действию электродвижущей силы. Подобно тому как э. д. с. является причиной возникновения тока в электрической цепи, так и м. д. с, является причиной возникновения магнитного потока в магнитной цепи. Чем больше магнитодвижущая сила F, создаваемая ка­тушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление r_м играет в магнитной цепи роль, ана­логичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в элек­трической цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления умень­шается магнитный поток. Следует, однако, отметить, что эта анало­гия не распространяется на физические процессы, имеющие место в электрических и магнитных цепях. Кроме того, магнитное сопротивление r_м является нелинейным. Оно зависит от магнитной проницае­мости μ_а, которая изменяется при изменении индукции, т, е. магнит­ного потока, проходящего через данный участок цепи. Поэтому при расчетах магнитных цепей пользуются кривыми намагничивания, т. е. зависимостями напряженности Н от индукции В для соответствующе­го ферромагнитного материала.

Возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить:

- увеличением магнитодвижущей силы F катушки, создающей маг­нитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличением прохо­дящего по ней тока I или числа витков ω катушки;

- уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материалов с большей магнитной проницаемостью μ_а;

- уменьшением воздушных зазоров, разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполнен­ные из ферромагнитных материалов (воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи, создают весьма большое магнитное сопротивление);

- увеличением площади поперечного сечения S отдельных участков магнитной цепи или же уменьшением общей длины магнитной цепи и ее отдельных участков.

Все эти меры широко используют при конструировании электри­ческих машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих вы­сокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или спе­циальных сплавов), воздушные зазоры свести до минимальных зна­чений,