Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Содержание:

Магнитные цепи:

В конструкцию многих электротехнических устройств (электрических машин, трансформаторов, электрических аппаратов, измерительных приборов и т. д.) входят магнитные цепи.

Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, содержащая ферромагнитные тела, в которой при наличии намагничивающей силы возникает магнитный поток и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции. Источниками намагничивающей силы могут быть катушки с токами, постоянные магниты.

В конструктивном отношении магнитные цепи выполняют неразветвленными и разветвленными; применение того или иного вида цепи определяется в основном назначением электромагнитного устройства.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

В неразветвленной магнитной цепи (рис. 9.1, 9.2) магнитный поток во всех участках один и тот же.

При расчете и конструировании магнитной цепи электромагнитного устройства решаются вопросы, связанные с выбором размеров, формы, материалов. Эти вопросы изучают в специальных курсах.
Здесь рассмотрим расчет для существующей или сконструированной магнитной цепи, размеры и материалы которой, а также расположение обмоток с токами известны. При этом решают задачи двух типов.

Прямая задача:

По заданному магнитному потоку в цепи требуется определить намагничивающую силу, необходимую для создания этого потока.

Рассмотрим решение этой задачи для неразветвленной однородной магнитной цепи (см. рис. 9.1) без учета потоков рассеяния.

1.    По заданному магнитному потоку и известной площади S поперечного сечения сердечника находят магнитную индукцию:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

2.    Определяют напряженность магнитного поля Н в сердечнике. Зависимость В(Н) — характеристика намагничивания — для стали нелинейная, а магнитная проницаемость Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.1. Неразветвленная однородная магнитная цепь

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.2. Неразветвленная неоднородная магнитная цепь

Обычно напряженность магнитного поля определяют по кривой намагничивания данного сорта стали (см. рис. 8.30 и приложение 4).

3. Находят намагничивающую силу по закону полного тока [см. формулу (8.41)]:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
где l — длина магнитопровода, подсчитанная по средней линии без учета закруглений, причем условно принимается, что эта средняя линия во всех точках совпадает с линией магнитной индукции.

Обратная задача:

По заданной намагничивающей силе требуется найти магнитный поток в магнитопроводе.
1.    Определяют напряженность магнитного поля в сердечнике:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
2.    По кривой намагничивания данного сорта стали находят магнитную индукцию В.
3.    Определяют магнитный поток:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Для конкретных величин В и Н, определенных в ходе решения задачи, можно подсчитать статическую магнитную проницаемость данного сорта стали по формуле (8.37):
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
тогда магнитная индукция
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
магнитный поток
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Обозначив знаменатель этого выражения через Rм:

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

получим
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Магнитное сопротивление

Выражение (9.2) по форме напоминает закон Ома для электрической цепи: на месте тока стоит магнитный поток, на месте э. д. с. — намагничивающая сила (ее называют еще магнитодвижущей силой — м. д. с.). Величину Rм называют магнитным сопротивлением. Выражение магнитного сопротивления сердечника по форме аналогично выражению для определения сопротивления проводника электрическому току. Нужно отметить, что формулы для электрической и магнитной цепей похожи только написанием. Никакого физического подобия явлений в электрической и магнитной цепях не существует.

Расчет магнитных цепей обычно проводят без определения магнитного сопротивления. Это понятие используют в некоторых случаях при качественном рассмотрении явлений в магнитных цепях. Пользуясь им, найдем, как должна измениться намагничивающая сила катушки, если в стальном сердечнике (см. рис. 9.1) сделать хотя бы незначительный воздушный зазор, а магнитный поток при этом должен остаться таким же.
Предположим, что в стальном сердечнике длиной l = 100 мм имеется воздушный зазор δ = 1 мм.
Магнитное сопротивление сердечника

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Магнитное сопротивление сердечника с воздушным зазором равно сумме сопротивлений двух участков.

Сопротивление стальной части магнитной цепи при той же магнитной индукции останется практически без изменения, так как уменьшение длины ее очень незначительно (≈ 1 %).

Сопротивление воздушного зазора

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Предположим, что относительная магнитная проницаемость стали Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи = 1000, тогда
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
и
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитное сопротивление воздушного зазора оказывается в 10 раз больше сопротивления стального сердечника.

Отсюда следует, что для обеспечения того же магнитного потока при наличии воздушного зазора в 1 мм нужно иметь намагничивающую силу примерно в 10 раз большую, чем при его отсутствии. Эта разница оказывается во много раз большей для сердечников из специальных сплавов, для которых величина Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи достигает сотен тысяч.

Поэтому во всех случаях, когда по условиям работы электромагнитного устройства без воздушного зазора обойтись нельзя, следует по возможности его сокращать.

Задача 9.1.

В сердечнике кольцевой формы из электротехнической стали нужно получить магнитный поток Ф = 2 • 10-3 Вб. Определить: 1) ток в обмотке, имеющей N = 100 витков; 2) магнитную проницаемость стали при заданном потоке в сердечнике; 3) индуктивность катушки.
Размеры сердечника заданы в миллиметрах на рис. 9.3.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.3. К задаче 9.1

Решение. Площадь сечения сердечника
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Считая магнитную индукцию по сечению сердечника постоянной, найдем ее величину по заданному потоку:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
По кривой намагничивания (см.рис. 8.30) определим напряженность магнитного поля: H = 50 А/см = 5000 А/м.
Намагничивающая сила, необходимая для создания заданного потока,
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Ток в обмотке
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная проницаемость стали при найденных величинах В и H
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Относительная магнитная проницаемость
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Индуктивность катушки
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
 

Задача 9.3.

Определить магнитный поток и магнитное сопротивление сердечника (рис. 9.4), размеры которого заданы в миллиметрах, если в катушке с числом витков N = 200 ток I = 6 А. Сердечник изготовлен из электротехнической стали 1511, причем 10% его сечения занимает изоляция между листами.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.4. К задаче 9.3

Решение. Намагничивающая сила и напряженность поля
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
где I — длина замкнутого сердечника по средней линии; согласно размерам, указанным на чертеже, l = 80 см = 0,8 м.
Магнитная индукция по характеристике намагничивания электротехнической стали 1511 В = 1,42 Тл.
Полная площадь сечения сердечника
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Активная площадь
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитный поток
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная проницаемость при заданной величине намагничивающей силыРасчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитное сопротивление
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной неоднородной магнитной цепи

Неоднородная магнитная цепь состоит из нескольких участков, отличающихся в общем случае длиной, поперечным сечением и материалом. Чаще всего встречаются магнитные цепи, у которых кроме участков из ферромагнитных материалов имеются воздушные зазоры.

Прямая задача:

При решении прямой задачи размеры и материалы каждого участка цепи известны, а магнитный поток задан; определяют намагничивающую силу. Порядок решения прямой задачи такой же, как и для однородной цепи, но магнитную индукцию и напряженность поля определяют для каждого участка; при этом потоки рассеяния в расчет не принимают.

Магнитная индукция k-го участка
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
где Sk — площадь поперечного сечения k-го участка.
По магнитной индукции определяют напряженность поля: для участков из ферромагнитных материалов — по кривым намагничивания; для воздушных зазоров и других участков из неферромагнитных материалов — по формуле Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Далее составляют уравнение согласно закону полного тока:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
где Нk — напряженность магнитного поля k-го участка (принимают ее одинаковой во всех точках этого участка); lk — длина k-то участка, взятая по средней линии; Нklk — магнитное напряжение к-то участка (далее магнитное напряжение будем обозначать Um); Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи — алгебраическая сумма намагничивающих сил всех обмоток, входящих в рассматриваемую цепь.

Намагничивающую силу считают положительной в левой части уравнения (9.3), если ее направление, определенное по правилу буравчика, совпадает с направлением обхода магнитного контура. Магнитное напряжение в правой части уравнения считают положительным, если направление магнитного потока совпадает с направлением обхода контура.
Для магнитной цепи (см. рис. 9.2) развернутое уравнение (9.3) имеет вид
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
 

Обратная задача:

Обратную задачу — определение магнитного потока по заданным намагничивающим силам — нельзя решить так же просто, как для однородной цепи, так как нельзя сразу установить распределение магнитного напряжения между участками.

Нельзя воспользоваться формулой (9.2), так как магнитное сопротивление участка из ферромагнитного материала зависит от величины Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи, которая определяется не известной еще магнитной индукцией.

Задачу можно решить методом последовательных приближений.
При наличии в цепи воздушного зазора первое значение магнитного потока можно взять, считая магнитное сопротивление воздушного зазора равным сопротивлению всей магнитной цепи. 

Основанием для такого выбора является то, что даже малый воздушный зазор имеет магнитное сопротивление, значительно большее, чем вся остальная часть цепи, выполненная из ферромагнитных материалов.
Пренебрегая в первом приближении магнитным сопротивлением ферромагнитной части цепи, получим поток
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Определить магнитный поток можно, построив кривую намагничивания цепи в целом. Для этого нужно задаться произвольно несколькими величинами магнитного потока и определить соответствующие им величины намагничивающей силы.
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.5. Кривая намагничивания магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.6. К расчету неразветвленной неоднородной магнитной цепи (обратная задача)

По результатам расчета строится кривая намагничивания цепи (рис. 9.5). По кривой находят магнитный поток, соответствующий заданной намагничивающей силе.

Возможен и другой путь графо-аналитического решения обратной задачи (рис. 9.6). По взятым произвольно нескольким величинам магнитного потока находят величины Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи (для стальной части цепи) и Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи (для воздушного зазора). Затем из начала координат строят кривую Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
На оси абсцисс находят точку a, соответствующую заданной намагничивающей силе IN, из которой влево проводят прямую Ф(IN — Uм0).
В точке пересечения этих графиков по оси ординат находят искомый поток, а по оси абсцисс — величины Uм.с = Нlс и Uм0 = Н0δ.
 

Задача 9.5.

Магнитная цепь электромагнитного реле клапанного типа, изготовленная из стали, имеет поток Ф = 1,2 • 10-3 Вб. Определить число витков катушки реле, необходимое для возбуждения созданного магнитного потока при токе в катушке 0,2 А. Ярмо и якорь реле прямоугольного сечения 7,5 x 1,2 см, сердечник круглого сечения диаметром 3 см. Другие размеры показаны на рис. 9.2.
Решение. Магнитная цепь реле делится на однородные участки:

а) сердечник круглого сечения
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
длина l1 = 8,6 см;
б) ярмо прямоугольного сечения
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
длина l2 = 14,9 см (см. рис. 9.2);
в) якорь прямоугольного сечения
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
длина l3 = 6,1 см;
г) воздушный зазор, сечение которого принимаем равным сечению сердечника, пренебрегая некоторым увеличением его за счет выпучивания линий магнитной индукции:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
длина δ = 0,2 см.
Магнитная индукция в участках цепи:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Напряженность магнитного поля в стальных участках определена по кривой намагничивания литой стали, которая принята такой же и для кованой стали: Н1 = 57 А/см; Н2 = 18 А/см; Нз = 18 А /см.

В воздушном зазоре
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Составляем уравнение по закону полного тока:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Число витков обмотки
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
 

Задача 9.7.

Две катушки N1 = 2000 и N2 = 600 витков насажены на стержни сердечника из электротехнической стали 1211. Размеры магнитной цепи показаны на рис. 9.7. Определить магнитный поток при токе в катушках I = 0,8 А и при соединении концов катушек по схеме: К1 соединен с К2 напряжение приложено к зажимам Н1 и Н2.
Решение. Магнитная цепь рис. 9.7 имеет шесть участков, размеры которых найдены из чертежа:
а)    воздушный зазор — δ01 = 0,09 см, S01 = 5 • 4,5 = 22,5 см2;
б)    стержень А — l1 = 20 см, S1 = 22,5 см2;
в)    ярмо Б — l2 = 25 см, S2 = 22,5 см2;
г)    стержень В — lз = 20 см, S3 = 22,5 см2;
д)    воздушный зазор — δ02 = 0,09 см, S02 = 22,5 см2;
е)    якорь Д — l0 = 25 см, S6 = 22,5 см2.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.7. К задаче 9.7

Задаемся несколькими величинами магнитного потока, причем наибольший возможный поток найдем в предположении, что магнитное сопротивление создают только воздушные зазоры [см. формулы (9.1), (9.2)]:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
При определении потока учтено, что катушки включены согласно, поэтому их намагничивающие силы сложены.
Для полученного потока найдем намагничивающую силу с учетом стальной части магнитной цепи. Последовательность решения та же, что и при решении задачи 9.5. Результаты расчета для Ф0 и других величин потока сведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Зависимость Ф(IN) построена на рис. 9.5.
По этой кривой определяем искомый поток, соответствующий намагничивающей силе:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Для графо-аналитического способа определения потока по типу рис. 9.6 из табл. 9.1 выпишем величины Ф и Нlc в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Зависимости Ф(Um.c) и Ф(IN — Um0) показаны на рис. 9.6, причем прямая Ф(IN — Um0) построена по двум точкам. При IN — Um0 = 0
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
при Ф = 0
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
В точке пересечения графиков определяем искомый магнитный поток, а также величины Hl= Um.c и H0δ = Um0, соответствующие этому потоку:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет разветвленной магнитной цепи

В разветвленной магнитной цепи магнитные потоки в общем случае различны в разных ветвях (рис. 9.8).

Разветвленные магнитные цепи делятся на симметричные и несимметричные.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.8. Разветвленная симметричная магнитная цепь
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.9. Магнитная цепь четырехполюсной электрической машины

Симметричную магнитную цепь мысленно можно разделить на неразветвленные цепи таким образом, что во всех участках выделенной цепи магнитный поток будет один и тот же. Кроме того, предполагается симметричное расположение намагничивающих сил (рис. 9.8, 9.9).
Если указанные условия симметрии не соблюдаются, то магнитная цепь относится к несимметричным (рис. 9.10).

Узловые и контурные уравнения магнитной цепи

Симметричная магнитная цепь (см. рис. 9.8) состоит из двух одинаковых контуров. Средний стержень вместе с катушкой (источником намагничивающей силы) входит в оба контура.

Место соединения среднего стержня с ярмом является узлом магнитной цепи, в котором магнитный поток Ф1, делится на два равных потока, если магнитное сопротивление обоих контуров одинаково:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет разветвленной симметричной цепи из-за равенств потоков симметричных контуров сводится к расчету одного контура, который выполняют в том же порядке, что и расчет неразветвленной цепи.
В аналогичной несимметричной магнитной цепи поток в узле делится на неравные части, но для любого узла пригодно уравнение
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Для схемы рис. 9.8 это уравнение в развернутом виде записывают так:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи или Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
При составлении такого уравнения учитывают направления потоков: направленные к узлу и направленные от узла потоки берутся с разными знаками.

Для каждого контура магнитной цепи можно также составить уравнение по закону полного тока.

Предположим, что все участки магнитной цепи выполнены из материалов с постоянными значениями магнитной проницаемости. Каждый участок и вся цепь имеют линейную зависимость магнитного потока от магнитного напряжения Ф(Uм).

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.10. Разветвленная несимметричная магнитная цепь

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.11. К расчету разветвленной магнитной цепи графическим методом

Определив для каждого участка магнитное сопротивление Rм, магнитную цепь можно представить соответствующей схемой замещения, в которую войдут постоянные магнитные сопротивления участков и намагничивающие силы.
На рис. 9.11, а показана схема замещения магнитной цепи (см. рис. 9.8). Пренебрегая потоками рассеяния, расчет магнитной цепи можно выполнить аналогично расчету электрической цепи, решая систему линейных уравнений, составленных для узлов (см. формулу (9.4)] и контуров [см. формулу (9.3)].

Графический расчет разветвленной цепи

Элементы схем замещения магнитных цепей, осуществляемых на практике (кроме элементов, соответствующих воздушным зазорам), имеют нелинейные характеристики Ф(Uм), так как магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от напряженности поля. Нелинейными являются и магнитные цепи в целом.

Аналогия с электрической цепью указывает на возможность графического расчета нелинейной магнитной цепи в порядке. Первый этап расчета состоит в построении характеристик Ф(Uм) для каждого участка цепи в общей системе координат. Для этого используются характеристики намагничивания материалов, из которых изготовлена магнитная цепь. Например, чтобы построить характеристику Ф3(U), нужно ряд величин напряженности поля Н3, взятых из характеристики намагничивания материала третьего участка магнитной цепи, умножить на длину этого участка (H3l3 = U), а соответствующие им величины магнитной индукции умножить на площадь S3 этого участка (В3S3 = Ф3).

По полученным значениям U и Ф3 строят график Ф3(U) (рис. 9.11, б). Магнитные сопротивления R и R соединены параллельно. Поэтому магнитные напряжения второго и третьего участков одинаковы: U = U = U2.3м.

Сумма магнитных потоков этих участков равна магнитному потоку первого участка (сопротивление R): Ф1 = Ф2 + Ф3.
Складывая магнитные потоки Ф2 и Ф3 для ряда значений магнитного напряжения, получим кривую Ф1 (U2.3м).

На рис. 9.11, б это показано для одного значения Uм.п.Отрезки 4-3 и 4-2 в масштабе магнитных потоков выражают потоки Ф3 и Ф2. Сумма этих отрезков, равная отрезку 4-1, выражает магнитный поток Ф. Магнитное сопротивление R и сопротивление, эквивалентное R и R, соединены последовательно. Поэтому намагничивающая сила всей цепи IN равна сумме магнитных напряжений U и U2.3м: IN = U + U2.3м. Магнитные же потоки участков цепи с сопротивлениями R и R2.3м одинаковы.

Складывая магнитные напряжения U и U2.3м для ряда значений магнитного потока, получим кривую Ф1(IN). На рис. 9.11, б это показано для одного значения Ф1п. Отрезки 7-6 и 7-1 в масштабе магнитных напряжений выражают магнитные напряжения U и U2.3м. Сумма этих отрезков дает отрезок 7-5, выражающий намагничивающую силу IN.

Выполнив указанные построения, нетрудно решить различные задачи расчета магнитной цепи.

Задача 6.9.

Катушка, имеющая 500 витков, расположена на среднем стержне магнитопровода, изготовленного из стали 1511 (см. рис. 9.8). Определить ток в катушке, если в крайнем стержне поток Ф2 = Ф3 = 2 • 10-3Вб. Рассеяние потока не учитывается.
Решение. В данной симметричной цепи можно наметить два одинаковых в магнитном отношении контура: а-б-в-г-а и а-е-д-г-а. В каждом из них по два участка:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рассматривая один из контуров, решим задачу в порядке, принятом для неразветвленной цепи:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитный поток в среднем стержне в два раза больше, чем в крайних:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
По кривым намагничивания стали 1511 находим:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
По закону полного тока,
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Ток в катушке
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
 

Задача 9.10.

В крайнем стержне магнитопровода, взятого по условию задачи 9.9, имеется воздушный зазор δ = 0,1 см. Определить, как нужно изменить ток в катушке, чтобы сохранить прежнюю величину потока в этом стержне (см. рис. 9.10).
Решение. При наличии воздушного зазора в одном крайнем стержне магнитная цепь становится несимметричной.
В контуре а-е-д-г-а сохранились те же участки; в контуре а-б-в-г-а: l1 = 16 см; l3 = 41,9 см; δ = 0,1 см; S1 = 30 см2;
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная индукция в воздушном зазоре и крайнем стержне 6-в
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Напряженность поля
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
по кривой намагничивания стали 1511 Н3 = 3 А/см.
В магнитной цепи можно наметить третий контур (а-б-в-г-д-е-а). Для этого контура, по закону полного тока,
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная индукция на участке l2 по кривой намагничивания В2 = 1,48 Тл. Магнитный поток на участке l2
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитный поток в среднем стержне (участок l1) определим на основании первого закона Кирхгофа для узла а:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная индукция на этом участке
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Напряженность поля Н1 = 69,5 А/см.
Для одного из контуров, включающего средний стержень, например а-б-в-г-а, по закону полного тока,
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Ток в катушке
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Вывод. Для того чтобы сохранить в крайнем стержне такой же магнитный поток при наличии воздушного зазора δ = 0,1 см, требуется увеличить ток в катушке почти в восемь раз по сравнению с тем случаем, когда зазор отсутствует.

Постоянные магниты

В измерительных приборах, электрической аппаратуре и других устройствах в качестве источников намагничивающей силы широко применяют постоянные магниты.

На рис. 9.12 схематично изображены магнитные системы магнито-электрического измерительного прибора (а) и поляризованного реле (б).
Эти системы, как и большинство им подобных, имеют несколько участков: 1) из магнитно-твердого материала— постоянного магнита 1; 2) из магнитно-мягкого материала 2, служащего магнитопроводом, и воздушного зазора 3, форма и размеры которого определяются конструкцией и назначением устройства.
При расчете магнитной цепи с постоянным магнитом требуется определить магнитный поток и индукцию в воздушном зазоре или по заданному потоку найти оптимальные размеры постоянного магнита (наименьшие объем и габариты).
 

Характеристики размагничивания постоянных магнитов

Величины остаточной магнитной индукции Вг и коэрцитивной силы Hс характеризуют материал постоянного магнита: чем они больше, тем выше его качество. Как известно, на петле гистерезиса Вг соответствует Н = 0, а при В = 0 Н = Нс.
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Рис. 9.12. Магнитные цепи с постоянными магнитами

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.13. Характеристики размагничивания постоянных магнитов:
1 — АНКО-4; 2 — АНКО-2; З-АН-2; 4 — сталь с 30% СО

Промежуточные магнитные состояния определяются частью петли магнитного гистерезиса, лежащей во второй четверти, — характеристикой размагничивания (рис. 9.12). Эта характеристика используется при расчете постоянных магнитов.
Согласно закону полного тока, сумма магнитных напряжений участков магнитной цепи (рис. 9.12) равна нулю, так как внешняя намагничивающая сила (ампер-витки) отсутствует:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
где Uм.т — магнитное напряжение постоянного магнита; Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи — сумма магнитных напряжений всех участков магнитной цепи, включая воздушные зазоры, но без постоянного магнита.

Левая и правая части равенства (9.5) связаны с магнитной индукцией и потоком определенными зависимостями: Фт(Uм.т) — кривая размагничивания постоянного магнита (по форме повторяет кривую размагничивания материала, из которого выполнен постоянный магнит); Фм(Uм.с) — кривая намагничивания части конструкции устройства, изготовленной из магнитно-мягкого материала; Ф0(Uм0) — прямая, проходящая через начало координат и повторяющая в других масштабах зависимость Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Определение магнитного потока в магнитной цепи с постоянным магнитом

Пренебрегая потоком рассеяния Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи и магнитным напряжением в участках из магнитно-мягкого материала (Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи), можно построить в общей системе координат зависимости Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи и Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи.

В этом случае искомый магнитный поток Ф0 определяется точкой их пересечения (рис. 9.14).

Магнитная индукция в воздушном зазоре
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Из равенства (9.5) следует, что напряженности поля в воздушном зазоре и магните направлены в противоположные стороны.

При отсутствии воздушного зазора (постоянный магнит замкнут) остаточная индукция имеет величину Вг, а при наличии зазора будет меньше Вг (рис. 9.14). Воздушный зазор создает эффект размагничивания магнита.

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Рис. 9.14. К расчету магнитной цепи с постоянным магнитом

Задача 9.12.

Определить магнитный поток и индукцию в воздушном зазоре постоянного магнита (см. рис. 9.12, а), если магнит, изготовленный из сплава АНКО-2, имеет длину lт = 10 см; SТ = 4 см2. Полюса и цилиндрический сердечник изготовлены из магнитно-мягкой стали, имеют общую длину lм = 15 см; воздушный зазор между полюсом и сердечником δ = 0,2 см с каждой стороны и площадь S = 10 см2. Характеристика размагничивания сплава АНКО-2 представлена на рис. 9.13.
Решение. Построим зависимость магнитного потока в магните от магнитного напряжения Ф(Uм.т).
Для этого, согласно кривой 2 на рис. 9.13, берем величины В и Н, подсчитываем Ф и Uм.т и результаты подсчета сводим в табл. 9.3.
Для тех же величин магнитного потока определим Uм0 = Н0δ для воздушного зазора. Величинами Hсlс для участков из стали пренебрегаем из-за их незначительной величины.

Т а б л и ц а 9.3

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Для потока Ф = 3,28 • 10-4 Вб

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи

Результаты подсчетов сводим в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Зависимости Ф(Uм.т) и Ф(Uм0) построены на рис. 9.14. В точке пересечения этих графиков находим магнитный поток:
Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи
Магнитная индукция в воздушном зазоре

Расчет неразветвленной однородной магнитной цепи