8.3. Намагничивание ферромагнитных материалов

Так как ферромагнитный материал является основой магнитных цепей, то для исследования и расчета магнитных цепей необходимо изучить свойства и характеристики ферромагнитных материалов.

Рис. 8.2.

Если по катушке с числом витков W, распо­ложенной на замкнутом магнитопроводе дли­ной l, проходит ток I (рис. 8.2), то в катушке создается магнитное поле, напряженность ко­торого

Если магнитопровод выполнен из нефер­ромагнитного материала, то индукция в маг­нитном поле магнитопровода .

Если же магнитопровод катушки выполнен из ферромагнитного материала, то этот мате­риал намагничивается, т. е. происходит ориентация доменов ферро­магнитного материала в направлении внешнего магнитного поля, созданного магнитодвижущей силой катушки IW. Тем самым созда­ется добавочная магнитная индукция В_Д, обусловленная намагничива­нием ферромагнитного материала магнитопровода: , где М - величина, характеризующая намагниченность материала.

Таким образом, магнитная индукция В в магнитопроводе катушки складывается из двух компонентов - магнитной индукции внешне­го поля, созданной МДС катушки В₀, и добавочной индукции В_Д, созданной намагниченным магнитопроводом из ферромагнитного материала, т. е.

(8.7)

Зависимость магнитных индукций В₀, В_Д и В от измене­ния напряженности Н пред­ставлена на рис. 8.3.

Рис. 8.3.

Зависимость В₀ = f(Н) - прямая линия из начала ко­ординат (прямая 1).

Характер изменения добавочной индукции В_Д = f(Н) можно объяснить следующим образом (кривая 2):

участок Оа - намагниченность сердечника М увеличивается пропорционально напряженности Н;

участок аb - рост намагниченности сердечника М замедляется, так как большинство доменов уже сориентировалось в направле­нии магнитного поля катушки;

участок bс - рост намагниченности сердечника М прекращает­ся, т. е. наступает режим магнитного насыщения, так как все до­мены сориентировались в направлении внешнего магнитного поля (участок bс параллелен оси абсцисс).

Суммарная кривая В = f(Н) строится путем сложения ординат кривых В₀ = f(Н) и В_Д = f(Н).

Суммарная кривая 3 зависимости индукции ферромагнитного материала от напряженности магнитного поля В = f(Н) называет­ся кривой намагничивания данного ферромагнитного материала.

Ферромагнитные материалы относятся к нелинейным средам, поэтому магнитные цепи, в которых они используются, являются нелинейными.

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов - ве­личина непостоянная и зависит от предварительного намагничи­вания, т. е. от напряженности поля, созданного в материале. Ха­рактер этой зависимости представлен кривой (рис. 8.4).

Определить магнитную проницаемость ферромагнитного мате­риала при определенной напряженности Н или индукции В можно, воспользовавшись кривой намагничивания данного фер­ромагнитного материала:

(8-8)

8.4. Циклическое перемагничивание

Изменение тока в катушке (рис. 8.2) и соответственно напря­женности Н магнитного поля в ней не только по величине, но и по направлению приводит к изменению индукции в ферро­магнитном сердечнике катушки по величине и направлению (рис. 8.5).

Зависимость магнитной индукции В в сердечнике от напря­женности Н при изменении тока I катушки по величине и на­правлению можно проследить по кривой рис. 8.5.

Если в катушке находится полностью размагниченный сердеч­ник, то при токе I = 0, (рис. 8.5).

Увеличение тока приводит к увеличению напряженности H, а следовательно, и индукции В в ферромагнитном материале до насыщения по кривой 0 - 1, т.е. по кривой намагничивания данного ферромагнитного материала (рис. 8.5). Если уменьшать ток до нуля, то и напряженность H уменьшается до нуля, а индук­ция при этом уменьшается от величины В_m (насыщение) до значения 0 - 2 по кривой 1 - 2. Значение индукции 0 - 2, оставшейся в сер­дечнике катушки (рис. 8.5) при уменьшении напряженности до H = 0, называется остаточной ин­дукцией B_r в данном ферромаг­нитном материале. Остаточная индукция в сердечнике B_r имеет место за счет того, что не все эле­ментарные магнитики материала дезориентировались при размаг­ничивании, т. е. часть доменов остались сориентированными в направлении внешнего поля ка­тушки.

Рис. 8.5

Если изменить направление тока в катушке, а следовательно, и направление напряженности в сердечнике и увеличивать эту на­пряженность (в обратном направлении), то можно добиться уменьшения индукции до нуля (кривая 2 - 3), т. е. сердечник пол­ностью размагнитится. Напряженность 0 - 3, которая потребо­валась для того, чтобы размагнитить ферромагнитный материал, т. е. полностью дезориентировать домены, называется задержи­вающей, или коэрцитивной, силой Н_C.

Если продолжить увеличение напряженности, то индукция из­менит свое направление и ее значение будет увеличиваться в но­вом направлении от нуля до насыщения по кривой 3 - 4.

Если уменьшать напряженность до нулевого значения, то ин­дукция уменьшится по кривой 4 - 5, где отрезок 0 - 5 - остаточная индукция B_r в обратном направлении. Чтобы размагнитить сер­дечник, т. е. уменьшить индукцию до нуля, необходимо снова из­менить направление тока и напряженности (в первоначальном направлении) и увеличивать его. При этом индукция в сердечни­ке уменьшится до нуля по кривой 5 - 6, где отрезок 0 - 6 - задер­живающая, или коэрцитивная, сила Н_C в первоначальном направ­лении, которая снова размагничивает сердечник - уничтожает остаточную индукцию. Дальнейшее увеличение напряженности приведет к увеличению индукции от нуля до насыщения в перво­начальном направлении по кривой 6 - 1.

Кривая 0 - 1 называется кривой первоначального намагничива­ния, а замкнутая кривая 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 - 1 называется кривой циклического перемагничивания, или петлей гистерезиса. Гисте­резис - греческое слово, означающее «отставание», т. е. измене­ние индукции отстает от изменения напряженности: напряжен­ность уменьшилась до нуля, а индукция еще не равна нулю, или индукция только уменьшилась до нуля, а напряженность уже уве­личивается в обратном направлении.

Циклическое перемагничивание имеет место в магнитопроводах (сердечниках) электрических машин, трансформаторов, элек­троизмерительных приборов, дросселей и др., по обмоткам кото­рых проходит переменный ток.

Циклическое перемагничивание сопровождается затратой элек­трической энергии, которая преобразуется в тепловую и в боль­шинстве случаев рассеивается в пространстве. Такие тепловые потери относят к магнитным потерям Р_М и называют потерями энергии (мощности) на циклическое перемагничивание, или по­терями на гистерезис. Мощность потерь на циклическое перемаг­ничивание данного ферромагнитного материала пропорциональ­на площади, ограниченной петлей гистерезиса этого материала. Для борьбы с подобными потерями в различных аппаратах и ма­шинах применяют различные меры, основной из которых явля­ется выбор ферромагнитного материала для сердечников с узкой петлей гистерезиса.

Искусственно циклическое перемагничивание можно приме­нить для размагничивания ферромагнитного материала, т. е. для уменьшения остаточной индукции до нулевого значения. Для этого по катушке, расположенной на магнитопроводе из ферро­магнитного материала, пропускают изменяющийся по величине и направлению ток (переменный ток), величину которого посте­пенно уменьшают до нулевого значения.