1.5. Особенности магнитных цепей с переменной МДС. Магнитный поток идеальной катушки переменного тока с ферромагнитным сердечником

В установившемся режиме ток намагничивающей катушки постоянного тока, согласно закону Ома, равен I =U / R . При включении этой же катушки в цепь переменного тока

где U − действующее напряжение сети; R −активное сопротивление проводов катушки; X L − индуктивное сопротивление катушки, которое формально

учитывает токоограничивающее влияние ЭДС самоиндукции ЕL , возникающей в катушке на переменном токе i(t) = 2I sin ωt.

Ток в идеальном индуктивном элементе (не имеющем активного сопротивления R ) ограничивается возникшим здесь ЭДС самоиндукции, значение которой определяется причинно-следственной цепочкой

переменного тока меньшеиб, чем в цепи постоянного тока. Поэтому катушки, рассчитанныеСна включен е в цепь переменного тока, нельзя включать в цепь постоянного тока на то же напряжение (они сгорят).

Обычно для катушек в цепи переменного тока XL >> R , поэтому при

изучении главных свойств магнитных цепей переменного тока можно пренебречь активным сопротивлением R , т.е. считать катушку идеальной с нулевым R и нулевым потоком рассеяния (R = 0;Φp = 0).

При включении идеальной катушки в цепь переменного тока установившиеся в этой цепи процессы описываются причинно-следственной цепочкой (1.12). В сердечнике такой катушки и в окружающем её воздушном пространстве будет наводиться переменное магнитное поле В(t)

и переменный магнитный поток. Пусть Φ =Φ(t) − мгновенное значение

величины магнитного потока (в момент времени t ), а w − число витков катушки. Тогда величину ЭДС самоиндукции можно определить по формуле eL = −w ddtΦ .

13

т.е. магнитный поток Φ(t) в идеальной катушке цепи переменного тока

создаётся током i , но характер его изменения определяется приложенным напряжением u(t) =Um sin ωt . Подставим это значение напряжения в (1.13) и,

проинтегрировав, получим

а) при синусоидальном напряжении, приложенном к идеальной катушке, её магнитный поток – синусоидален;

б) магнитный поток отстаёт от напряжения по фазе на 90о; в) частота колебаний значений магнитного потока равна частоте

синусоидального напряжения, приложенного к идеальной катушке;

Так связаны между собой индуктивное напряжение катушки, его частота, число её витков и амплитуда магнитного потока.

Переменный магнитный поток приводит к нагреву магнитопровода изза магнитных потерь в стали, которые вызываются перемагничиванием сердечника (гистерезисные потери) и вихревыми токами в сердечнике (вихревыми потерями).

Для уменьшения гистерезисных потерь применяют электротехнические стали и сплавы с узкой петлёй гистерезиса.

Для уменьшения вихревых потерь сердечник набирают (шихтуют) из пластин толщиной (0,35 – 0,5) мм, изолированных друг от друга лаком, папиросной бумагой и т.д.

Удельные магнитные потери в ферромагнитных материалах приводятся в каталогах в зависимости от материала, частоты тока и индукции.

Следовательно, ферромагнитные сердечники для магнитных цепей постоянного тока могут быть сплошными, а для магнитных цепей

14

переменного тока набираются (шихтуются) из тонких листов электротехнической стали.

Магнитные цепи широко используются в трансформаторах и электрических машинах. Свойство катушек изменять своё сопротивление с изменением воздушного зазора используется для создания индуктивных датчиков перемещения (по величине тока можно судить о величине воздушного зазора между сердечником и якорем).

В сварочном деле это свойство используется для регулирования величины сварочного тока (при увеличении зазора индуктивное сопротивление катушки уменьшается и ток растёт, а при уменьшении зазора, ток, наоборот, увеличивается).

Способность электромагнита притягивать близко лежащие ферромагнитные тела используется в тяговых электромагнитах. Ток, проходя по катушке ферромагнитного сердечника, создаёт магнитный поток Φ . По обеим сторонам воздушного зазора создаются два противоположных полюса

характеристикам тяговых электромагнитов относятся общее тяговое усилие, измеряемое в ньютонах, и максимальный ход, измеряемый в миллиметрах.

Вопросы для самоконтроля

1.6. Электромагниты постоянного тока. Рабочий цикл

Втаких электромагнитах магнитное поле создаётся с помощью обмотки постоянного тока. Несмотря на разнообразие, электромагниты имеют узлы с общим назначением для всех их видов:

–катушка с намагничивающей обмоткой;

–неподвижная часть магнитопровода (сердечник);

–подвижная часть магнитопровода (якорь).

Взависимости от расположения якоря относительно остальных узлов электромагнита и характера воздействий на якорь со стороны магнитного потока электромагниты постоянного тока подразделяются на следующие типы:

15

–электромагниты с втягивающимся якорем;

–электромагниты с внешним притягивающимся якорем;

–электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.

Кроме того, в зависимости от способа включения обмотки катушки различают электромагниты с обмотками параллельного или последовательного включения. В первом случае ток в цепи обмотки определяется только её параметрами, а во втором – параметрами остальных элементов цепи.

И наконец, электромагниты различаются по скорости их срабатывания. Циклический характер работы электромагнита определяется тем, что якорь совершает поступательное или вращательное движение в ограниченных пределах и периодически требует возврата в своё исходное

положение.

времени s = s(t) −положения якоря и I = I(t) −тока в обмотке катушки (рис.

1.7).

Первым этапом рабочего цикла является процесс срабатывания. Его продолжительность tсраб. Он начинается с момента подачи питания на обмотку, когда якорь переходит из своего начального состояния sн в конечное sк. Этот этап подразделяется на период tтр трогания и период

движения t/дв.

В период трогания ток в обмотке нарастает до iтр. Электромагнитная сила при этом достигает равенство с силами, противодействующими движению якоря.

Время трогания tтр, в течение которого ток достигает величины iтр, определяется как схемой включения обмотки и условиями её питания, так и параметрами самого электромагнита и его нагрузки. Характер движения зависит от соотношения движущих (электромагнитных) сил и противодействующих им сил, а также массы якоря, трения и т.д.

16