Выбор материала магнитопровода в значительной степени определяет частотный диапазон* ЭМУ, что связано с изменением магнитной проницаемости материала при изменении частоты. Электротехническая сталь, прецизионные, аморфные и нанокристаллические сплавы в основном используются при изготовлении магнитопроводов, работающих в низкочастотных устройствах, так как их магнитная проницаемость при определенном значении частоты становится меньше, чем у ферритов и магнитодиэлектриков, что определяет использование последних преимущественно в высокочастотном диапазоне.

Необходимо отметить, что на принцип работы и электромагнитные процессы конструкция магнитопроводов серьезного влияния не оказывает. Тем не менее, при разработке того или иного ЭМУ необходимо выбрать оптимальную конструкцию магнитопровода и материал, из которого он будет изготовлен.

§2.5. Статические электромагнитные устройства

Кстатическим ЭМУ относят дроссели, магнитные усилители, трансформаторы и другие устройства.

Дроссель – устройство, используемое в качестве индуктивного сопротивления в цепях переменного или пульсирующего тока.

Дроссель может выполнять свою функцию без магнитопровода, но в большинстве случаев безвитковые и витковые на сердечнике дроссели изготавливают с магнитопроводами. К основным видам дросселей относятся дроссели переменного тока, сглаживающие дроссели и дроссели насыщения. Безвитковые дроссели состоят из токонесущего проводника, который проходит через сердечник, изготовленный из магнитного материала. Витковый дроссель представляет собой магнитопровод с расположенной на нем катушкой, по которой протекает переменный ток. Примеры витковых и безвитковых дросселей приведены на рис. 2.5.

Основным параметром дросселя является его индуктивность (L).

Всвязи с тем, что индуктивное сопротивление определяется выражением XL = 2πfL, в цепях постоянного тока оно подавляет переменные

составляющие тока, а в цепях переменного тока изменяет его амплитуду при изменении частоты или фильтрует определенную гармонику.

* Низкие частоты – 3,0…300,0 кГц, средние – 0,3…3,0 МГц, высокие – 0,3…3000 ГГц.

52

Таким образом, при одинаковых геометрических размерах и количестве витков индуктивность дросселя будет зависеть от магнитной проницаемости материала магнитопровода. При расчете индуктивности по (2.16) необходимо принять в качестве µ либо ее начальное значение (µнач) для катушек индуктивности, работающих в слабых магнитных полях, либо значение, соответствующее заданному рабочему значению индукции В*.

Из (2.15) следует, что возможное изменение тока в обмотке влияет на значения индуктивности и, соответственно, индуктивного сопротивления дросселя. Для уменьшения этого влияния магнитопровод изготавливают с немагнитным за-

зором шириной δ**.

Наличие немагнитного зазора снижает магнитную индукцию в магнитопроводе при неизменной напряженности магнитного поля. Это приводит к уменьшению магнитной проницаемости магнитопровода с зазором по

сравнению с магнитной проницаемостью магнитопровода без зазора. На рис. 2.6 приведены кривые намагничивания магнитопровода дросселя при отсутствии и при наличии немагнитного зазора.

В случае магнитопровода с немагнитным зазором увеличивается амплитуда напряженности магнитного поля, при которой нелинейность кривой В(Н) можно не учитывать, т. е. кривая намагничивания линеаризуется в определенном диапазоне Н.

Использование магнитопроводов, имеющих даже небольшой (по сравнению с общей длиной магнитопровода) немагнитный зазор, приводит к значительному уменьшению индуктивности ЭМУ. Эту зависимость можно проиллюстрировать следующим примером.

*Значения В приводятся в справочной литературе.

**При сборке магнитопроводов для получения заданной геометрии зазор заполняют бумагой, картоном или гетинаксом.

54

Задача. Рассмотрим два дросселя с кольцевыми магнитопроводами, один из которых имеет немагнитный зазор δ = 0,01 мм (рис. 2.6 иллюстрирует характер кривых намагничивания магнитопроводов таких дросселей). Средний диаметр магнитопроводов Dср = 40 мм. Пусть ток, протекающий по обмотке с числом витков w, создает в магнитопроводе без зазора поле с напряженностью Н1 = 10 А/м, которому соответствует магнитная индукция В1 = 0,2 Тл. Во сколько раз индуктивность дросселя с магнитопроводом без зазора выше индуктивности дросселя с магнитопроводом с зазором?

Решение. Как видно из рис. 2.6, при наличии немагнитного зазора для получения того же значения магнитной индукции В1 необходимо увеличить напряженность магнитного поля до значения Н2. Для магнитопровода с зазором длина магнитной силовой линии в магнитопроводе уменьшается на δ, тогда по закону полного тока будет справедливо выражение

H2lср = Н1 (lср – δ) + Hδδ,

где Hδ – напряженность магнитного поля в зазоре. Выразим напряженность магнитного поля Н2:

С учетом (1.3) напряженность магнитного поля в зазоре будет определяться выражением

Hδ = В/µ0.

Тогда напряженность поля в магнитопроводе с зазором можно представить в следующем виде:

Индуктивность дросселя с магнитопроводом без зазора в соответствии с (2.16) определяется выражением

55

Рассчитаем индуктивность дросселя с зазором при условии, что средняя длина силовой линии магнитного поля не изменяется:

Рассчитаем значение напряженности поля в магнитопроводе с зазором, при котором достигается В = 0,2 Тл:

Определим отношение индуктивностей дросселя с магнитопроводом без зазора и дросселя с магнитопроводом с зазором:

L1 μ1 1, 6 104 2,3 .

L2 μ2 7 103

Ответ: индуктивность дросселя с магнитопроводом без зазора выше индуктивности дросселя с магнитопроводом с зазором в 2,3 раза.

Магнитопроводы с немагнитным зазором используются в дросселях переменного тока, которые служат для накопления энергии, и в сглаживающих дросселях, предназначенных для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. При этом существуют дроссели, в которых размер немагнитного зазора можно регулировать, что необходимо для изменения индуктивности дросселя в процессе его работы.

Безвитковые дроссели предназначены для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Обычно они представляют

56

собой ферритовый сердечник, выполненный в виде полого цилиндра (или кольца круглого сечения), через который проходит проводник. Реактивное сопротивление такого дросселя на низких частотах (в том числе на промышленной частоте) мало, а на высоких частотах (0,1 МГц…2,5 ГГц) велико. Таким образом, если в кабеле возникает высокочастотная помеха, то такой дроссель ее подавляет с вносимым затуханием 10…15 дБ. Для создания магнитопроводов безвитковых дросселей применяют марганец-цинковые и никельцинковые ферриты.

Дроссели переменного тока широко используются в качестве реактивных (индуктивных) сопротивлений, элементов LR- и LC-кон- туров, а также в выходных фильтрах преобразователей переменного тока. Такие дроссели изготавливают с индуктивностью от десятых долей микрогенри до сотен генри на токи от ~1 мА до 10 А. Они имеют одну обмотку, расположенную на магнитопроводе из ферроили ферримагнитного материала.

При проектировании дросселя переменного тока необходимо учитывать его следующие основные номинальные параметры: требуемую мощность, (наиболее допустимое значение тока), частоту тока, добротность* и массу.

Повысить добротность можно различными методами. С точками зрения изготовления магнитопроводов необходимо учитывать, что повысить добротность можно за счет:

–выбора магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями;

–увеличения площади поперечного сечения магнитопровода;

–введения немагнитного зазора.

Немагнитный зазор приводит также к линеаризации кривой намагничивания магнитопровода и существенному уменьшению зависимости магнитной проницаемости (а значит, и индуктивного сопротивления) от приложенного напряжения. Поэтому для дросселей с малой индуктивностью, но значительным током в обмотке практи-

* Добротность катушки индуктивности – отношение ее индуктивного сопротивления к ее активному сопротивлению. Катушка индуктивности – индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования ее добротности.

57

чески всегда используются магнитопроводы с немагнитным зазором. Кроме того, немагнитный зазор предотвращает насыщение магнитопровода при больших токах.

Сглаживающие дроссели – элементы преобразователей, предназначенные для уменьшения переменной составляющей напряжения или тока на входе или выходе преобразователя. Такие дроссели имеют одну обмотку, в токе которой (в отличие от дросселей переменного тока) присутствуют как переменная, так и постоянная составляющие. Обмотка дросселя включается последовательно с нагрузкой. Дроссель должен иметь большую индуктивность (индуктивное сопротивление). На его обмотке происходит падение переменной составляющей напряжения, в то время как постоянная составляющая (за счет малого активного сопротивления обмотки) выделятся на нагрузке.

Составляющие тока создают в магнитопроводе дросселя постоянный магнитный поток (который играет роль подмагничивающего) и переменный поток, изменяющийся по синусоидальному закону. За счет постоянной составляющей тока магнитный поток (индукция) в магнитопроводе изменяется в соответствии с начальной кривой намагничивания, в то время как за счет переменной составляющей перемагничивание осуществляется по частным циклам при соответствующих значениях тока. При увеличении тока переменная составляющая магнитного потока уменьшается (при постоянстве переменной составляющей тока), что приводит к уменьшению дифференциальной магнитной проницаемости и, следовательно, к уменьшению индуктивности дросселя. Физически уменьшение индуктивности с увеличением подмагничивающего тока связано с тем, что по мере увеличения этого тока магнитопровод дросселя все более и более насыщается.

Дроссели насыщения используются в качестве регулируемых индуктивных сопротивлений в цепях переменного тока. Такие дроссели имеют не менее двух обмоток, одна из которых (рабочая) включается в цепь переменного тока, а другая (управляющая) – в цепь постоянного тока. В принципе работы дросселей насыщения лежит использование нелинейности кривой В(Н) магнитопроводов при их намагничивании управляющим и рабочим токами. Магнитопроводы таких дросселей не имеют немагнитного зазора. Основными особенностями дросселей насыщения (по сравнению со сглаживающими

58

дросселями) являются значительно бо́льшее значение переменной составляющей магнитного потока в магнитопроводе и синусоидальный характер ее изменения.

Развитие радиоэлектронной аппаратуры предъявляет к дросселям различные требования, в частности требует уменьшения габаритов и снижения уровня электромагнитных помех в условиях высокой плотности монтажа компонентов. Для решения этой задачи были разработаны многослойные ферритовые чип-фильтры на основе поверхностного монтажа на печатной плате (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Многослойные ферритовые чип-фильтры: а – технология изготовления; б – внешний вид, соотнесенный со шкалой с шагом 1 мм

Такие устройства получают по тонкопленочной технологии. На подложку наносятся тонкие слои феррита (например, тайваньская компания «Chilisin Electronics» использует Ni–Zn-феррит), между которыми формируется структура полувитка катушки (рис. 2.7, а). После нанесения слоев, количество которых может достигать нескольких сотен, производится спекание, при котором формируется объемная катушка с ферритовым магнитопроводом. Благодаря такой конструкции минимизируются поля рассеяния и соответственно практически исключается взаимное влияние элементов друг на друга, так как силовые линии в основном замыкаются внутри магнитопровода.

Многослойные ферритовые чип-фильтры используются для фильтрации высокочастотных помех в силовых и сигнальных цепях бытовой электроники, источников питания и др. Основными производителями чип-фильтров являются компании «Chilisin Electronics»,

«TDK Corporation» (Япония), «Murata Manufacturing Co., Ltd» (Япо-

ния), «Vishay Intertechnology» (США) и др.

59

Дроссели с магнитопроводом, изготовленным из магнитодиэлектрика на основе карбонильного железа производства ОАО «Завод „Магнетон“», применяются в радиоаппаратуре, работающей в диапазоне 0,5…100,0 МГц.

В дросселях могут использоваться магнитопроводы, изготовленные из всех известных магнитомягких материалов: электротехнических сталей, ферритов, магнитодиэлектриков, а также прецизионных, аморфных и нанокристаллических сплавов. В отличие от дросселей в трансформаторах, магнитных усилителях и других подобных устройствах магнитопровод служит для концентрации магнитного потока при минимизации магнитных потерь. В этом случае основная функция, которую выполняет магнитопровод, практически исключает его изготовление из магнитодиэлектрика, который обладает малой относительной магнитной проницаемостью. Широкая номенклатура ферритов различных марок, предназначенных для работы в аналогичных с магнитодиэлектриками диапазонах частот, сужает область применения магнитодиэлектриков для изготовления магнитопроводов ЭМУ.

Магнитный усилитель – устройство, состоящее из одного или нескольких магнитопроводов с обмотками, с помощью которого в электрической цепи, питаемой от источника переменного напряжения или переменного тока, может изменяться ток или напряжение по величине, основанное на использовании явления насыщения ферромагнетика при действии постоянного подмагничивающего поля.

Принцип работы магнитного усилителя основан на изменении дифференциальной магнитной проницаемости (измеряемой на переменном токе) при изменении постоянного тока подмагничивания, поэтому простейшим магнитным усилителем является дроссель насыщения, содержащий рабочую обмотку и обмотку управления. Рис. 2.8 иллюстрирует принцип действия магнитного усилителя.

На обмотку управления ОУ подается входной сигнал в виде напряжения постоянного тока Uу или тока Iу, подлежащий усилению. Последовательно с рабочей обмоткой ОР включена нагрузка Rн, напряжение на которой Uн является выходным сигналом. Цепь рабочей обмотки подключена к источнику напряжения переменного тока (например, промышленной частоты). Магнитопровод одновременно намагничивается двумя магнитными полями: постоянным, со-

60

–неравенство нулю тока в рабочей обмотке при нулевом значении I;

–низкий коэффициент усиления;

–влияние переменного тока на цепь управления и др. Вышеперечисленные недостатки устраняют созданием более

сложных конструкций, которые могут содержать дополнительные рабочие, управляющие и подмагничивающие обмотки, воздушные зазоры, несколько усилителей, включенных в одну электрическую сеть, и т. д. Магнитопроводы магнитных усилителей в основном изготавливаются из легированных электротехнических сталей.

Магнитные усилители постепенно вытесняются управляющими устройствами на основе полупроводниковой компонентной базы. Их применение ограничено областями, связанными с использованием различных силовых элементов электроприводов строительной техники, судов, тепловозов, а также в оборудовании, используемом в горной и металлургической промышленности.

Трансформатором называется статическое ЭМУ, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере его простейшей модификации, состоящей из двух обмоток (первичной и вторичной), расположенных на магнитопроводе (рис. 2.9). Первичная обмотка подключается к источнику напряжения, а вторичная – к нагрузке.

Рис. 2.9. Двухобмоточный трансформатор с магнитопроводом

62

К первичной обмотке с числом витков w1 приложена электродвижущая сила е1, равная напряжению на входе обмотки U1, которая создает в первичной цепи ток i1. В свою очередь ток i1 создает в магнитопроводе магнитный поток Ф1, охватывающий вторичную обмотку с числом витков w2 и создающий в ней электродвижущую силу е2 = −М(di1/dt), где М – коэффициент взаимной индукции (см. § 2.1). За счет е2 во вторичной обмотке создается ток i2, протекающий во вторичной цепи через нагрузку, имеющую полное сопротивление Zн. Согласно закону электромагнитной индукции ток i2 создает магнитный поток Ф2, который направлен встречно потоку, созданному током i1 первичной обмотки. Результирующий магнитный поток, который носит название основного, или рабочего, определяется выражением Ф0 = Ф1 – Ф2 = const, при условии U1 = const. В результате, токи обмоток трансформатора создают следующие магнитные потоки:

– основной (рабочий) магнитный поток Ф0, линии магнитной индукции которого замыкаются через магнитопровод и охватывают первичную и вторичную обмотки;

– магнитный поток рассеяния ФS1, линии магнитной индукции которого охватывают только первичную обмотку и частично замыкаются через воздушную среду;

– магнитный поток рассеяния ФS2, линии магнитной индукции которого охватывают только вторичную обмотку и частично замыкаются через воздушную среду.

Трансформатор, в котором потоки рассеяния отсутствуют, называют идеальным трансформатором. В таком устройстве коэффициент связи kс = 1. Это означает, что весь магнитный поток, создаваемый током первичной обмотки, сцепляется со всеми витками вторичной обмотки и весь магнитный поток, создаваемый током вторичной обмотки, сцепляется со всеми витками первичной обмотки. Мгновенная мощность, подводимая к первичной обмотке идеального трансформатора, передается во вторичную обмотку.

При работе трансформатора в реальных условиях часть мощности, передаваемой вторичной обмотке, расходуется на потери. При

63

расчете трансформатора учитывают рассмотренные ранее магнитные потери в его магнитопроводе (см. §§ 1.4 и 2.2), электрические потери в обмотках трансформатора, связанные с сопротивлением проводов*.

Трансформаторы могут классифицироваться по различным признакам: по назначению, по виду охлаждения, по числу фаз, по виду магнитопроводов и т. д. Выбор материала магнитопровода в основном зависит от его назначения. В зависимости от назначения трансформаторы можно разделить на силовые трансформаторы, трансформаторы напряжения, трансформаторы тока и согласующие трансформаторы.

Силовым трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного напряжения и тока в одну или несколько систем переменного напряжения и тока, имеющих другие значения при той же частоте, с целью передачи мощности. По передаваемой мощности можно выделить силовые трансформаторы большой мощности (более 5 кВ · А) и малой мощности (менее 5 кВ · А). Необходимость применения силовых трансформаторов обусловлена различными значениями рабочих напряжений линий электропередачи (35…750 кВ) и электросетей (6 и 10 кВ), а также напряжений, передаваемых конечным потребителям (380 и 220 В), и др.

Мощность трансформатора определяется максимально возможной индукцией материала магнитопровода и его размерами. Поэтому магнитопроводы (обычно стержневого типа) силовых трансформаторов большой мощности собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм.

Потери энергии в магнитопроводе и проводах обмоток приводят к повышению температуры трансформатора, поэтому необходимо его принудительное охлаждение. Для принудительного охлаждения трансформатора или его отдельных частей используют трансформаторные масла, жидкие негорючие диэлектрики, вентиляторы или их комбинации. Конструкции силовых трансформаторов могут различаться в зависимости от мощности, назначения, условий эксплуатации и т. п.

* По аналогии с потерями в стали такие потери иногда называют потерями в меди.

64

К трансформаторам малой мощности относятся трансформаторы, питающиеся от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением до 1000 В. Они используются для питания узлов радиоэлектронной аппаратуры и изготавливаются с использованием магнитопроводов броневого, стержневого и кольцевого типов.

Трансформатором напряжения называется устройство, в ко-

тором при нормальных условиях применения вторичное напряжение практически пропорционально первичному и сдвинуто относительно него по фазе на угол, близкий нулю. Такой трансформатор предназначен не для преобразования электрической мощности, а для гальванической развязки цепей высокого (6 кВ и выше) и низкого (десятки и сотни вольт) напряжения вторичных обмоток, а также для передачи сигнала в измерительных цепях.

Одним из главных условий выполнения трансформатором напряжения своего назначения является высокое полное сопротивление первичной обмотки, обусловленное основным магнитным потоком Ф0. Для этого магнитопровод должен иметь высокую магнитную проницаемость и соответствующие габариты (большую́ площадь поперечного сечения S и малую длину силовой линии lср). Отсюда трансформатор напряжения должен иметь большое число витков первичной и вторичной обмоток.

Выбор материала магнитопровода зависит от частоты, на которой работает трансформатор напряжения. Для промышленной частоты (50 Гц) предпочтительно использовать такие материалы, как пермаллой 79НМ, аморфные или нанокристалличекие магнитные сплавы с высокими значениями магнитной индукции и максимальной магнитной проницаемости. Для частот выше 1 кГц оптимальной является замкнутая конструкция магнитопровода, выполненного из феррита с высокой магнитной проницаемостью.

Трансформатором тока называется устройство, в котором при нормальных условиях вторичный ток практически пропорционален первичному и при правильном включении сдвинут относительно него по фазе на угол, близкий нулю.

Первичная обмотка трансформатора с малым числом витков подключается к источнику тока, в вторичная – к измерительному

65

или защитному прибору, имеющему малое внутреннее сопротивление, т. е. трансформатор работает в режиме короткого замыкания.

Трансформаторы тока используются в качестве регуляторов тока в системах автоматизированного управления

–энергоемким промышленным оборудованием;

–электроприводами погрузчиков (для обеспечения захвата и регулировки скорости перемещения);

–силовыми преобразователями, регулирующими энергию, передаваемую электродвигателям железнодорожного и другого электротранспорта;

–аккумуляторными батареями и двигателями автомобильного транспорта.

Материалами магнитопровода трансформатора тока в зависимости от области применения являются электротехнические стали, высоконикелевые пермаллои и магнитомягкие ферриты.

Согласующим трансформатором называется трансформатор,

применяемый для согласования комплексных сопротивлений различных частей (каскадов) электронных схем с целью минимизации искажений формы сигнала и потерь его мощности. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает гальваническую развязку участков схемы.

Условием согласования предыдущего и последующего каскадов является равенство составляющих их полных сопротивлений, что достигается соответствующим выбором чисел витков обмоток.

Поскольку индуктивное сопротивление зависит от частоты сигнала, то при работе электронной схемы в определенном диапазоне частот условие согласования сопротивления отдельных каскадов может нарушаться. Для устранения этого недостатка в широкополосных согласующих трансформаторах используются ферритовые магнитопроводы с высокой начальной магнитной проницаемостью, работающие на участке ее частотной дисперсии.

Одно из перспективных направлений исследований и разработок связано с созданием планарных ЭМУ. Магнитопроводы таких трансформаторов и дросселей изготавливаются из ферритов и магнитодиэлектриков и монтируются на печатную плату (рис. 2.10), что уменьшает ее габаритные размеры и массу. Катушка представляет

66

вращаться или поворачиваться друг относительно друга. Часть ВЭМ, которая включает неподвижный магнитопровод с обмоткой, называется статором, а вращающаяся часть – ротором.

ВЭМ, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется электромашинным генератором.

ВЭМ, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, называется вращающимся электродвигателем.

Для большинства ВЭМ выполняется принцип обратимости, в соответствии с которым одна и та же машина может выполнять функции и генератора, и двигателя. ВЭМ могут вырабатывать или потреблять электрическую энергию как на постоянном, так и на переменном токе, в соответствии с чем их подразделяют на машины постоянного и переменного тока. Используемый род тока мало влияет на функциональные возможности ВЭМ, поэтому рассмотрим работу электродвигателя постоянного тока (рис. 2.11). Принцип действия ВЭМ основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. В соответствии с последним сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, значению магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Рис. 2.11. Принцип работы ВЭМ постоянного тока:

а – конструкция и принцип работы; б – внешний вид ротора (1 – магнитопровод; 2 – обмотки; 3 – коллекторные пластины; 4 – вал)

На статоре 1 электродвигателя располагают обмотку 2, через которую проходит постоянный электрический ток I, создающий постоянное магнитное поле. Между полюсами установлен ротор 3.

68

В пазах ротора, набранного из отдельных пластин нелегированной или легированной электротехнической стали, расположены проводники, составляющие обмотку ротора, по которым пропускается электрический ток. Расположение обмоток позволяет минимизировать воздушный зазор δ между внутренней поверхностью статора и внешней поверхностью ротора.

Статор ВЭМ постоянного тока можно изготавливать формованным (например, литьем) или из отдельных пластин изотропной электротехнической стали толщиной 1…2 мм. Такая конструкция обеспечивает постоянство магнитного потока во всех частях статора. Магнитопровод ротора находится под воздействием переменного магнитного поля, что вызывает необходимость его изготовления из пластин.

Если в проводниках ротора, расположенных выше нейтральной линии, ток проходит в направлении «от наблюдателя», а в расположенных ниже нейтральной линии – «на наблюдателя», то верхние проводники под действием силы Ампера будут выталкиваться из магнитного поля влево (по правилу левой руки), а нижние – вправо. Такое взаиморасположение силовых линий магнитного поля и направления тока в проводниках приведет к повороту ротора. В момент пересечения проводником нейтральной линии для сохранения непрерывности вращения направление тока в нем меняется на противоположное. Такое изменение обеспечивают способ намотки проводов на ротор и коллектор – специальное устройство, представляющее собой секторы из проводящего материала (например, меди), разделенные диэлектрическими пластинами, которые последовательно подключаются к внешнему источнику питания. Частота вращения двигателей постоянного тока регулируется изменением его напряжения питания.

Конструкция, представленная на рис. 2.11, может использоваться в качестве генератора, если вращение ротора будет осуществляться от внешнего воздействия.

Двигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные – в зависимости от того, совпадает или нет скорость вращения ротора со скоростью изменения магнитного поля статора. Конструктивное отличие вращающихся электрических машин переменного тока заключается в том, что обмотки устанавливаются внутри статора.

69

Рассмотрим конструкцию асинхронной ВЭМ (рис. 2.12, а). В пазах магнитопровода 1 статора располагаются проводники 2 обмоток. В конструкцию ротора входят магнитопровод 3 и обмотка 4. Обмотка ротора состоит из стержней и замыкающих колец (рис. 2.12, б).

Рис. 2.12. Асинхронная ВЭМ:

а– схематичное изображение магнитопроводов;

б– проводники ротора с кольцами замыкателями

На обмотки статора подается переменный ток, создающий в его магнитопроводе вращающееся магнитное поле, которое пересекает обмотку ротора и индуцирует в нем ЭДС. Обмотка ротора является короткозамкнутой, поэтому в ней возникает переменный ток, магнитное поле которого взаимодействует с магнитным полем статора. В результате возникает крутящий момент, приводящий к вращению ротора. Магнитопроводы статора и ротора ВЭМ переменного тока находятся под воздействием переменных электромагнитных полей (ЭМП), поэтому имеют пластинчатую конструкцию и могут быть изготовлены из изотропной холоднокатаной электротехнической стали или пермаллоя. Необходимость изотропности магнитных свойств используемых материалов объясняется тем, что в таких ВЭМ магнитный поток, создаваемый полюсами, замыкается по сложным контурам, отличным от прямолинейных.

Для создания магнитного потока, обеспечивающего вращение ротора электрической машины, могут использоваться постоянные магниты. Работа таких устройств рассматривается в гл. 3. ВЭМ широко применяются во всех областях техники. На рис. 2.13 приведены примеры различных двигателей.

70

Неполяризованное ЭМР содержит входную и выходную цепи. Входная цепь питает катушку электромагнита. На рис. 2.14 изображено ЭМР, которое может использоваться как на постоянном, так и на переменном токе. При отсутствии напряжения во входной цепи подвижные контакты замкнуты с правой группой неподвижных контактов, относящихся к выходной цепи. При подаче напряжения во входную цепь в обмотке электромагнита возникает ток, создающий магнитный поток, намагничивающий магнитопровод. Магнитный поток, замыкаясь через ярмо магнитопровода, притягивает его подвижную часть, которая механически соединена с подвижными контактами. При отключении напряжения во входной цепи подвижные контакты под действием пружины возвращаются в исходное состояние. Таким образом в выходной электрической цепи может происходить переключение между двумя группами неподвижных контактов.

Рис. 2.14. Неполяризованное ЭМР

Поляризованное ЭМР отличается от неполяризованного тем, что состояние его коммутируемых контактов зависит не только от наличия тока в обмотке, но и от его направления (полярности подключения). Чувствительность к полярности подключения обеспечивается подмагничиванием магнитной системы реле постоянным магнитом, встроенным в его магнитопровод. Схема устройства простейшего поляризованного ЭМР показана на рис. 2.15.

72

переключения должны сохранять свою работоспособность. Несмотря на то, что контакты изготавливаются из материалов с высокой коррозионной стойкостью, контактная система является наименее надежным узлом любого ЭМР, срок службы которого в основном зависит от окисления контактов. Скорость этого процесса зависит от условий эксплуатации реле, поэтому для повышения срока его службы были разработаны герконовые реле – электромагнитные реле с герметизированным магнитоуправляемым контактом (рис. 2.16).

в

Рис. 2.16. Герконовое реле: а – схематическое изображение исходного состояния; б – схема замыкания контактов; в – внешний вид герметизированного магнитоуправляемого контакта

Висходном состоянии находящиеся внутри герметичной колбы 1 контакты 2 и 3 разомкнуты (рис. 2.16, а). При пропускании электрического тока I через обмотку 4 возникает магнитное поле с индукцией В, которое приводит к намагничиванию и замыканию контактов 2 и 3 (рис. 2.16, б). После выключения тока контакты под действием силы упругости возвращаются в исходное положение. Контакты герконового реле выполняют из пермаллоя, который покрывают металлами с высокой проводимостью, например золотом, серебром, родием или палладием. Для уменьшения скорости окисления контактов герметичную колбу заполняют аргоном, азотом, либо азотоводородной смесью под давлением 40…60 кПа.

Вгерконовых реле контактные сердечники многофункциональны, т. е. одновременно выполняют функции магнитопровода, пружины и токопровода.

74