Электромагнитные устройства и магнитные цепи

Типовые электромагнитные устройства

Электромагнитными устройствами (ЭУ) называют устройства, в которых создаются и используются магнитные поля. Они применяются практически во всех электрических и во многих электронных цепях.

Известно, что магнитное поле способно проявлять два различных действия: индукционное и электродинамическое. Первое действие связано с явлением электромагнитной индукции — наведением ЭДС в проводнике переменным магнитным полем или в движущемся проводнике. Второе действие связано с силовым воздействием поля на заряд, провод или намагниченное тело. В конкретном ЭУ одно из этих действий является основным, однако может присутствовать и другое.

Индукционное действие поля проявляется в устройствах, включаемых в цепь переменного тока (дроссели, трансформаторы, электромашинные генераторы, электроизмерительные приборы, преобразователи и др.), или в устройствах постоянного тока с подвижными частями (электрические машины). Большинство таких ЭУ являются устройствами с переменными магнитными потоками. Токи этих ЭУ зависят от напряжений и ЭДС, которые наводятся в их катушках. Поэтому можно сказать, что одно из назначений таких ЭУ — получение ЭДС. Это обстоятельство определяет особые требования к конструкции ЭУ, которая должна обеспечить усиление магнитных потоков с помощью ферромагнетиков, а также рационально использовать магнитное поле.

Между концами провода длиной /, движущегося в постоянном магнитном ноле, наводится ЭДС е

где В — вектор магнитной индукции (Тл); с/1 — вектор вдоль оси провода; V — вектор скорости, интегрирование ведется по всей длине провода, находящемся в магнитном иоле. Если е положительная, то ЭДС считают направленной вдоль сИ. Для определения направления ЭДС удобно также использовать «правило правой руки». Направление ЭДС указывают четыре пальца правой руки, когда силовые линии входят в ладонь и отведенный большой палец указывает направление движения провода.

ЭДС, наводимая в катушке, равна.

где — потокосцепление катушки с магнитным полем (Вб).

Изменение потокосцепления может происходить в результате изменения поля и (или) движения катушки. ЭДС направлена таким образом, что вызванный ею ток создает магнитное поле, уменьшающее изменение потокосцепления. Рассмотрим некоторые примеры ЭУ с индукционным действием.

Дроссель — ЭУ, которое используется в цепи как индуктивная катушка для регулирования тока или в электрическом фильтре. Поэтому главная задача при конструировании дросселя — достижение заданных индуктивностей и малых потерь энергии при малых затратах материалов. Поскольку индуктивность равна отношению потокосцепления катушки к току, то эти требования удается выполнить при использовании катушки с большим количеством витков и с ферромагнитным сердечником. Устройство дросселя схематически представлено на рис. 6.1.1.

Рис. в.1.1. Устройство дросселя.

Витки катушки 1 охватывают левый стержень ферромагнитного сердечника 2. Сечения провода одного витка условно показаны двумя кружками со знаками направлений тока («точка» — к наблюдателю, «крестик» — от наблюдателя). При таком направлении тока в витках катушки векторы магнитной индукции в левом стержне сердечника направлены согласно «правилу буравчика» вверх. Напомним, что направление тока задает направление вращения винта, а его поступательное движение соответствует направлению векторов магнитной индукции.

Топографию векторного поля магнитной индукции принято описывать картиной силовых магнитных линий. Векторы магнитной индукции, как касательные, задают направление силовых магнитных линий в каждой точке пространства. Густота силовых линий пропорциональна значению магнитной индукции. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитного сердечника р, 1, поэтому практически все силовые линии большей частью располагаются в сердечнике. Ферромагнитный сердечник усиливает магнитное ноле, возбуждаемое обмоткой, и увеличивает ЭДС самоиндукции. Однако из-за нелинейности свойств ферромагнетиков приходится идти на некоторое снижение эффективности конструкции, вводя немагнитный зазор 3 в сердечник. Зазор линеаризует свойства дросселя. Кроме того, переменный зазор позволяет регулировать значение индуктивности.

Подробнее дроссели рассматриваются в параграфе 6.5.

Трансформатор — устройство, которое содержит две или больше неподвижных обмоток, связанных магнитным нолем, и преобразует параметры электрической энергии (напряжение, ток). Первичную обмотку 1 включают к источнику электрической энергии, а ко вторичной обмотке 2 включают приемник электрической энергии (рис. 6.1.2).

Рис. 6.1.2. Схематическое устройство трансформатора.

Передача электрической энергии между обмотками осуществляется с помощью переменного магнитного поля, которое создает ЭДС в цепи вторичной обмотки. Для удешевления трансформатора и уменьшения потерь энергии желательно увеличение магнитного потока каждого витка вторичной обмотки. Это достигается с помощью замкнутого ферромагнитного сердечника 3. При этом магнитное поле усиливается и концентрируется в области сердечника.

Конфигурация сердечника выбирается таким образом, чтобы получить наибольшую магнитную связь обмоток (взаимную индуктивность), наилучшим образом использовать свойства ферромагнитного материала, уменьшить магнитное поле вне сердечника (поле рассеивания). На рис. 6.1.2 пунктиром изображены две характерные магнитные силовые линии.

Подробно трансформаторы рассматриваются во второй книге.

Измерительный индукционный датчик перемещений — ЭУ (рис. 6.1.3), в котором перемещение катушки 1 (стрелками указаны векторы скорости У) в магнитном поле системы с цилиндрическим постоянным магнитом 2 вызывает ЭДС индукции в катушке.

Мгновенное значение ЭДС пропорционально скорости изменения потокосцепления катушки. Поэтому в преобразователе имеется магнитопровод такой формы, чтобы потокосцепление было большим и линейно зависело от осевого положения катушки. Магнитные силовые линии в области витков катушки имеют радиальные направления (см. две пунктирные линии).

Рис. 6.1.3. Устройство индукционного датчика перемещений.

Они выходят из внутренней поверхности полюсного наконечника 3 магнитопровода, который имеет форму цилиндрической шайбы, и, пройдя небольшой воздушный зазор, входят в цилиндрический сердечник 4 магнитопровода.

Электромагиинный генератор — ЭУ, используемое для преобразования механической энергии рабочей машины в электрическую энергию (рис. 6.1.4).

Рис. 6.1.4. Схематическое устройство генератора постоянного тока

Генератор постоянного тока имеет цилиндрический ротор 1 с многосекционной обмоткой, которая подключается с помощью коллектора и контактных щеток 2 к приемнику энергии. Па цилиндрическом статоре 3 имеются катушки возбуждения 4 с постоянными токами (или постоянные магниты), которые создают постоянное магнитное поле. Силовые линии магнитного поля изображены на рисунке пунктиром. Они рисуются следующим образом. Направления токов в катушках возбуждения чередуются так (см. «крестик» и «точку» в сечениях проводов катушек возбуждения), чтобы направления силовых линий в катушках чередовались. Эти направления определяются правилом буравчика. Так, катушка, помеченная цифрой 4_У создает поле, силовые линии которого направлены в статор. Поэтому здесь образуется .9 (южный) полюс статора. Соседние полюсы — М, т. е. противоположные. Силовая линия магнитного поля проходит через соседние полюса, замыкаясь через статор и ротор. При вращении ротора, укрепленного на валу в подшипниковых опорах, в проводах его обмотки наводится ЭДС и между щетками образуется постоянное напряжение. Эффективная конструкция генератора должна содержать ферромагнитный магнитопровод — статор и ротор с минимальным воздушным зазором.

Генераторы различных типов рассматриваются подробнее во втором томе учебника.

Электродинамическое действие проявляется в устройствах, в которых, как правило, имеются подвижные элементы (например: электромагнитные реле, электрические двигатели, электроизмерительные приборы). Основное назначение таких ЭУ — создание механических сил, моментов. Поэтому в устройствах такого типа, как правило, имеются ферромагнитные части с воздушными зазорами. В этих ЭУ в той или иной степени присутствует и индукционное действие. Заметим, что в любом ЭУ в должной мере проявляется электродинамическое действие.

Сила, действующая на провод с током, равна

где интегрирование ведется по всей длине провода, находящегося в магнитном иоле. Направление силы можно определить также по «правилу левой руки». Направление силы указывает отведенный большой палец левой руки, когда магнитные силовые линии входят в ладонь и остальные пальцы направлены вдоль провода.

Для ЭУ с ферромагнитными частями не всегда удается использовать выражения для силы в явной форме. Тогда выполняют расчеты через энергию. Задают малое перемещение сЬс подвижной части ЭУ и определяют изменение энергии магнитного поля с1?. Составляющая силы в направлении, обратном перемещению, равна.

Рассмотрим некоторые примеры ЭУ с электродинамическим действием.

Электромагнитное реле — устройство, в котором силы используются для переключения электрических контактов. Реле позволяют осуществить дистанционное управление, управление в электрически не связанных цепях, управление в высоковольтных или сильноточных цепях слаботочными сигналами. Реле (рис. 6.1.5) содержит обмотку 1 с управляющим током, магнитопровод 2 для усиления и концентрации поля, подвижный якорь 3 (ось вращения 6 перпендикулярна плоскости чертежа), возвратную пружину 4, контакты управляемой цепи 5.

Рис. 6.1.5. Схематическое устройство электромагнитного реле

При увеличении тока обмотки до определенного значения (до тока срабатывания) сила Е, созданная магнитным полем, преобладает над силой возвратной пружины и якорь притягивается к полюсу на сердечнике катушки. Одновременно рычаг, скрепленный с якорем, перемещается и размыкает контакты управляемой цепи. При уменьшении тока (ток размыкания) возвратная пружина вернет якорь, и контакты замкнутся.

Электрический двигатель — ЭУ, преобразующее электрическую энергию в механическую. Двигатель постоянного тока имеет в принципе такую же конструкцию, как и генератор постоянного тока (см. рис. 6.1.4). Обмотка ротора подключается с помощью коллектора и контактных щеток к источнику электрической энергии. В обмотке возбуждения также задается постоянный ток, который создает постоянное магнитное поле. Это поле воздействует на обмотку ротора и на намагниченный ферромагнитный ротор и создает вращающий момент. Если вращающий момент будет больше противодействующего, то ротор начнет вращаться.

Заметим, что одновременно при вращении ротора в проводах его обмотки наводится ЭДС, которая практически равна приложенному напряжению. Аналогично в электрическом генераторе ток в обмотке ротора, который появляется при подключении приемника, вызывает силы и момент, тормозящий ротор. Необходимость одновременного существования электромагнитной индукции и электродинамического действия лучше всего объясняется законом сохранения энергии.

Для изучения принципа действия и основных свойств электромагнитных устройств важными являются соотношения, связывающие электрические напряжения, токи, мощности и механические силы, моменты, скорости движения. Как правило, в конкретных случаях точные уравнения записать нс удается ввиду их сложности. Поэтому широко используются инженерные приближения, в которых пренебрегают деталями ради выявления основных связей.

Электромагнитные величины связаны следующими основными уравнениями, которые изучались в курсе физики.

Закон Фарадея — напряжение на катушке и равно сумме падения напряжения на сопротивлении провода Ш (закон Ома) п ЭДС е самоиндукции:

ЭДС самоиндукции е равна скорости изменения потокосцепления катушки.

Здесь интегрирование ведется по поверхности х, ограниченной контуром провода катушки.

Закон полного тока — циркуляция вектора напряженности магнитного поля Я вдоль любого замкнутого контура равна сумме электрических токов проводов, которые пересекают поверхность, ограниченную этим контуром:

где У — вектор плотности электрического тока. Если контур выбрать вдоль силовой линии магнитного поля, которая охватывает хю витков катушки с током i, то.

Уравнение для источников магнитной индукции (замкнутость силовых линий).

магнитный поток через замкнутую поверхность равен нулю.

Из этих уравнений следует, что для установления связи между током п напряжением необходимо знать соотношения между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. В свободном пространстве В = р«Н. Для ферромагнитных материалов эта связь рассмотрена в параграфе 6.1.2.

Упражнение 6.1.1

Па рис. 6.1.6 изображены источники (1—5) магнитного поля и пять картинок {а — д) магнитных силовых линий. Запишите строку, устанавливающую соответствие номеров рисунков (какая картина ноля для каждого рисунка источников).

Рис. 6.1.6. К упражнению 6.1.1. Источники магнитного ноля с током !*:

• 1 — прямой провод; 2 — виток; 3 — соленоид с ферромагнитным сердечником;
• 4 —тороидальная катушка с ферромагнитным сердечником; 5 — соленоид

Упражнение 6.1.2

Определите правильную полярность включения вольтметра и значение ЭДС, возникающей в прямоугольном контуре на рис. 6.1.7 при перемещении его подвижной части аЬ в однородном магнитном поле Земли, если В = 10~⁴ Тл, V = 10 м/с, 1_аЬ = 1 м.

Рис. 6.1.7. К упражнению 6.1.2

Упражнение 6.1.3

Определите правильную полярность включения вольтметра и значение ЭДС в контуре на рис 6.1.8 при увеличении магнитной индукции поля по линейному закону В = аи где а = 1 Тл/с. Площадь контура .9 = 10~² м².

Рис. 6.1.8. К упражнению 6.1.3

Упражнение 6.1.4

Определите направление поступательного движения без трения в однородном магнитном поле подвижной части аЬ прямоугольного контура с источником тока / = 1 А на рис 6.1.9. Определите значение силы, В = 1 Тл, 1_аЬ = 1 м.

Рис. 6.1.9. К упражнению 6.1.4.