Контрольные вопросы

Вопрос 1: Где и с какой целью применяют катушки со стальным сердечником?

Ответ1. Катушки индуктивности являются основным источником магнитной энергии. Количественной мерой является магнитодвижущая сила F= I·w, где I- ток через катушку, w-число витков катушки индуктивности. [F]=A· виток.

Катушки со стальным сердечником (магнитопроводом) являются основным элементом различных электрических приборов и электрических машин в промышленности- это статоры и роторы машин (электромагниты-катушки возбуждения двигателей постоянного тока, асинхронных двигателей с фазным ротором, электромагниты роторов синхронных машин, катушки электромагнитных реле, датчики измерения (эдс, магнитного потока) или преобразования неэлектрических величин в электрические (датчики перемещения, скорости, ускорения, …), трансформаторы, магнитные усилители, ограничители переменного тока, фильтры выпрямителей (дроссели).

Катушки со стальным сердечником (магнитопроводом) являются основным элементом различных измерительных электромеханичеких приборов: амперметров, вольтметров, ваттметров электромагнитной и электродинамической систем .

Вопрос 2. С какой целью магнитопроводы электротехнических устройств изготавливают из ферромагнитных материалов?

Ответ 2. 1. Введение стального сердечника в катушку увеличивает ее индуктивность согласно формуле:L=μ_r·L₀ где μ_r -относительная магнитная проницаемость сердечника, L₀- индуктивность катушки без сердечника. Относительная магнитная проницаемость μ_r ферромагнитных материалов может достигать 10⁴. Т.о. индуктивность L, а следовательно и индуктивное сопротивление Х_L= ω·L = μ_r ·ω·L₀ возрастет в μ_r раз.

2. Введение стального сердечника в катушку увеличивает магнитную индукцию В в катушке(сердечнике) также в μ_r раз .

***)Если сравнить силу притяжения якоря в 2-х электромагнитных реле, изготовленных со стальным сердечником в катушке и без сердечника, то сила притяжения якоря в катушке со стальным сердечником будет значительно (~ в μ_r раз) больш, . Т.к. согласно закону Ампера сила магнитного взаимодействия пропорциональна индукции магнитного поля F=const BI ????

Вопрос 3. Объяснить характер изменения индуктивного и полного сопротивления катушки с сердечником от протекающего через нее тока.

Ответ 3.

****) Индуктивностью называется величина, равная отношению магнитного потока катушки ψ= nФ к току катушки L= ψ/I.

Схема замещения реальной катушки с сердечником представлена на рис 4.3а и рис 4.3b. На схеме рис 4.3а она состоит из 4-х последовательно соединенных элементов: активного сопротивления обмотки катушки R_К, индуктивного сопротивления рассеяния , индуктивного сопротивленияX_L0, обусловленного основным магнитным потоком, замыкающимся по стальному сердечнику и активным сопротивлением , учитывающим потери в сердечнике (потери от вихревых токов и потери на перемагничивание сердечника при наличии гистерезиса).

Если пренебречь индуктивностью рассеивания и магнитными потерями, то полное сопротивление катушки приближенно равно Z= Rк+j·X_L0. Индуктивное сопротивление X_L0= ω·L₀= ω · η_r· L₀, где L₀ – индуктивность катушки без сердечника, η_r относительная магнитная проницаемость сердечника. Магнитная проницаемость η_r в ферромагнетиках сильно зависит от напряженности магнитного поля катушки, а следовательно, и от тока катушки. Зависимость η_r от тока I представлена на рис 4.3в.

R_K не зависит от тока. Обычно X_L>> R_K, поэтому зависимость сопротивления Z= f(I) близка к зависимости μ_r= f(I). ( рис 4.3, в линия a )

Если учитывать магнитные потери, то необходимо рассмотреть зависимость сопротивления потерьR₀и индуктивности рассеянияXdот тока в катушке. С увеличением тока растет и магнитный поток, что приводит к большим вихревым токам и большему рассеянию потока.

На практике мощность потерь на гистерезис и вихревые токи определяются эмпирическими формулами:

Рг= σ_г•f• Bⁿ_m•G ; Рв= σ_в•f²•B²m•G

где σ_г , σ_в -коэффициенты ,f -частота, B_m –амплитуда магнитной индукции, G-масса сердечника , γ –электропроводность сердечника. Показатель n лежит в интервале 1<n<2. Поэтому с увеличением токаR₀иXdбудут расти. Это приведет к небольшому увеличению полного сопротивления и подьему графикаZ=F(I) в области больших токов.( рис 4.3в, линияb)