Дается краткая характеристика каждого издания с рекомендациями по использованию. 3 страница

Площадь СПГ определяет потери в ферромагне­тике при его статическом (медленном) перемагничивании, которые называются потерями на гисте­резис.

Электромагнитные компоненты многих элект­рических аппаратов работают на переменном токе. Поэтому описание свойств ферромагнетиков в таких аппаратах посредством СПГ приводит к неправиль­ным результатам, особенно на повышенных часто­тах. Для этих целей используют динамические петли гистерезиса (ДПГ), которые представляют собой зависимости В(Н),когда dH / dt » 0 (рис. 1.8). При этом с повышением частоты перемагничивания ДПГ расширяют свою площадь, т.е. увеличиваются потери в ферромагнетике. Кроме того, крутые участ­ки ДПГ становятся более пологими. Это объясня­ется запаздыванием ориентации доменов от изме­нения Н (явление магнитной вязкости) и вихревы­ми токами в ферромагнетике, препятствующими процессу перемагничивания. На характер ДПГ ока­зывают влияние не только свойства ферромагнети­ка, но и другие факторы, например, вид перемагничивающего устройства (источник тока или источник напряжения), форма воздействующих токов и напряжений, конструкция магнитопровода и др.

Ферромагнитные материалы разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферромагнитные материалы об­ладают малой коэрцитивной силой (Н_св < 0,4 кА/м).

 

 

Рис. 1.8. Статическая (СПГ) и динамическая (ДПГ) петли гистерезиса

 

Эти свойства позволяют использовать магнитомягкие материалы в электрических аппаратах для магнитопроводов и концентраторов магнитных потоков. Основные кривые намагничивания некото­рых из таких материалов приведены на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Кривые намагничивания некоторых наиболее исполь­зуемых
магнитомягких материалов:

1 – пермендюр (сплав 50% Fe и 50% Со); 2 –электротехническая сталь 3413;
3 –электротехническая сталь 1211; 4 –пермаллой 50Н; 5 – пермаллой 79НМ

 

Технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода и минимальный процент примесей, в том числе кремния. По многим параметрам к этому материалу близки низкоуглеродистые электротехни­ческие стали с  до (3 ÷ 6)·10³, Н_сВ = (0,06 ÷ 0,1) кА/м и B_s 2,1 Тл. Эти материалы, выпускаемые в виде листов и прутков, применяются при изготовлении маломощных электромагнитов.

Кремнистые электротехнические стали содержат 0,5-5% кремния и поэтому имеют высокое удельное электрическое сопротивление, что снижает потери на вихревые токи. Их максимальная относительная магнитная проницаемость составляет (6 ÷ 40)·10³, ко­эрцитивная сила Н_сВ – менее 0,1 кА/м, а индукция технического насыщения доходит до (1,9 ÷ 2,1) Тл. Кремнистые электротехнические стали выпускают­ся в виде листов и лент и используются для изго­товления шихтованных магнитопроводов быстро­действующих электромагнитов постоянного тока и электромагнитов переменного тока, а также для витых сердечников магнитных компонентов сило­вой электроники. Они применяются при рабочих частотах от 50 Гц до 5 кГц. При более высоких частотах из магнитомягких ферромагнитных мате­риалов используются пермаллои.

Пермаллои –это сплавы железа с никелем, легированные другими элементами (Mo, Cr, Cu, Si и пр). Существует два вида пермаллоев: высокони­келевые с содержанием никеля 70-80% (например, марка 79НМ) и низконикелевые с содержанием никеля 40-50% (например, марка 50Н).

В слабых магнитных полях пермаллои обладают более высокой магнитной проницаемостью, чем электротехнические стали (см. рис. 1.9). Значения максимальной относительной магнитной проница­емости у низконикелевых пермаллоев достигают 125·10³, а у высоконикелевых – 300·10³. Для них также характерны низкие значения коэрцитивной силы (Н_СВ  0,002+0,08 кА/м).

Пермаллои выпускаются в виде лент, листов и прутков. Минимальная толщина ленты достигает 5 мкм.

С точки зрения уменьшения габаритов и массы различных электромагнитных аппаратов большой интерес представляют сплавы железа с кобальтом (сплавы типа пермендюр).

Их магнитная индукция технического насыще­ния достигает 2,4 Тл. Максимальная относительная магнитная проницаемость у большинства этих сплавов составляет 4,5·10³-40·10³, а коэрцитивная сила достаточно низкая (0,02-0,26 кА/м).

Преимущество сплавов железо-кобальт перед технически чистым железом становится ощутимым в области индукций выше 1 Тл. Так, вблизи индук­ции 1,8 Тл проницаемость кобальтовых сплавов больше, чем у железа, приблизительно в 40 раз. Поэтому эти сплавы применяют, в частности, для полюсных наконечников с высокой индукцией.

Посредством специальных режимов прокатки, отжига и магнитной обработки из сплава 49%Fe, 49%Со и 2%V удалось создать анизотропный мате­риал, имеющий практически прямоугольную СПГ и максимальную относительную магнитную прони­цаемость до 70·10³. При индукции 2 Тл проницае­мость у него снижается до 33·10³, однако при вы­соких индукциях она у этого сплава в 500 раз выше проницаемости железа, применяемого в магнитопроводах электромагнитных реле.

Высокая стоимость железокобальтовых сплавов предопределяет их применение главным обра­зом в специальной аппаратуре.

Аморфные сплавы отличаются от указанных выше магнитомягких материалов отсутствием кристалли­ческой решетки. Аморфное состояние структуры достигается закаливанием расплавленного мате­риала с очень большой скоростью (примерно 10 °С/с). Основой таких материалов являются раз­личные сплавы железа с бором и кремнием, леги­рованные различными компонентами, например хромом. Аморфные сплавы отличаются от кристаллических рядом повышенных магнитных и механи­ческих свойств, а также высокой антикоррозион­ной стойкостью. Основное их преимущество – низкое значение удельных потерь на перемагничивание (более чем на порядок меньше у отдельных марок этих сплавов по сравнению с кристалличес­кими сплавами). Они отличаются большими значениями коэрцитивной силы (Н_СВ > 40 кА/м) и магнитной энергии, отда­ваемой во внешнее пространство выполненными из них и намагниченными изделиями. Эти изделия называются постоянными магнитами,которые со­вместно с обмотками, по которым протекает ток, являются первичными источниками магнитного поля. Важнейшей характеристикой таких материа­лов является участок СПГ, расположенный во вто­ром квадранте (между положительной осью маг­нитной индукции В,намагниченности М или ин­дукции намагниченности В и отрицательной осью напряженности поля Н – см. рис. 1.5). Этот учас­ток СПГ называется кривой размагничивания.Кри­вые размагничивания наиболее используемых в на­стоящее время магнитотвердых материалов даны на рис. 1.10.

Выбор магнитотвердого материала определяется назначением постоянного магнита, а также техно­логическими и экономическими соображениями. Кроме того, необходимо учитывать вопросы меха­нической прочности, устойчивости к воздействию размагничивающих полей и окружающей темпера­туры.

В электрических аппаратах используются также материалы, которые по своим свойствам относятся к антиферромагнетикам. У них оказывается энер­гетически выгодным антипарраллельное располо­жение спинов соседних атомов. Созданы антифер­ромагнетики, обладающие значительным собствен­ным магнитным моментом, приближающимся (в 2-5 раз меньше) к моменту ферромагнетиков. Такие материалы получили название ферримагнетиков (ферритов).В отличие от металлических, хорошо проводящих ферромагнитных материалов, ферриты являются полупроводниками. Поэтому их удельное электрическое сопротивление намного пре­вышает аналогичное сопротивление сталей и спла­вов. Высокое значение электрического сопротивле­ния позволяет значительно снизить вихревые токи и вызываемые ими потери мощности.

Ферриты изготавливают путем прессования и тер­мической обработки порошков из окислов железа, цинка, марганца и других материалов. Макси­мальная относительная магнитная проницаемость у них равна (2 ÷ 5)·10³, а индукция технического насыщения 0,35 ÷ 0,5 Тл. Ферриты бывают как магнитомягкие (никелевые, марганцевые), так и магнитотвердые (бариевые, стронциевые).

Малые потери мощности от вихревых токов, а также возможность производства изделий из них произвольной формы обусловило широкое использование магнитомягких ферритов в качестве магнитопроводов. Изделия из магнитомягких, так называемых термомагнитных ферритов (с низки­ми температурами точки Кюри – 10 ÷ 70 °С) нашли применение в пожарных извещателях. Магнитотвердые ферриты (например, феррит стронция, – рис. 1.10), используются для изготовления постоянных магнитов.

Для создания магнитопроводов с малыми зна­чениями магнитной проницаемости, мало завися­щей от воздействия постоянных и переменных полей, используются магнитодиэлектрики. Эти материалы имеют очень высокое удельное элект­рическое сопротивление, что практически исклю­чает возникновение в них вихревых токов. Среди таких материалов наибольшее распространение получил альсифер – тройной сплав алюминия, кремния и железа. Низкие значения абсолютной магнитной проницаемости  (от нескольких еди­ниц до сотен) позволяют эффективно использо­вать эти сплавы в реакторах и фильтрах с прак­тически постоянной индуктивностью в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля.

 

Рис. 1.10. Кривые размагничивания некоторых

наиболее ис­пользуемых магнитотвердых материалов:

1 – сплав NdFeB; 2 – редкоземельный сплав КС37А;
3 – сплав альнико ЮНДК35Т5БА; 4 –феррит стронция 28СА

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитные цепи находят широкое применение в различного рода электрических аппаратах и электромагнитных устройствах: контакторах, автоматах, приводах выключателей, тормозных, тяговых и подъемных электромагнитах, релейной аппаратуре, датчиках, электромагнитных муфтах, дросселях переменной индуктив­ности, шаговых искателях, магнитных подвесках и др. Магнитные цепи также являются основным элементом и в ускорителях элемен­тарных частиц, электромагнитных сепараторах, применяемых в металлургии; электромагнитных плитах и приспособлениях, ис­пользуемых в металлообрабатывающей промышленности, вибра­торах и других устройствах, где требуется создание магнитного поля определенной формы.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

Огромное разнообразие конструктивных форм магнитных це­пей создают определенные трудности в разработке для них методов расчета. Поэтому в основу классификации нами положен характер образования и распределения магнитного потока в магнитопроводе, что позволило значительное число цепей объединить в ряд однородных групп и разработать для некоторых из них общие прин­ципы расчета с учетом особенностей каждой.

Магнитные цепи можно разбить на два основных вида:

1) цепи, поток рассеяния которых мал, и при расчете параметров намагничивающей катушки его можно не учитывать;

2) цепи, поток рассеяния которых необходимо учитывать.

 

Магнитные цепи, при расчете которых можно с достаточной
для практики точностью не учитывать потоки рассеяния

 

Если через равномерно распределенную обмотку, рас­положенную по всей длине ферромагнитного тороида, пропустить ток, то по нему будет проходить только основной поток, а поток рассеяния вследствие полной симметрии будет отсутство­вать. В подавляющем большинстве магнитные цепи выполняются несимметричными. При этом магнитопровод может быть замкнутым или иметь небольшой воздушный зазор, а обмотки обычно распола­гаются на отдельных участках цепи. В таких цепях появляется поток рассеяния, который будет определяться величиной воздуш­ного зазора, конфигурацией магнитной цепи, степенью насыщенно­сти стали, расположением намагничивающей катушки, наличием электромагнитных экранов (короткозамкнутых витков) и другими факторами.

Степень учета поля рассеяния зависит в каждом отдельном случае от требований, предъявляемых к расчету электрического аппарата. С достаточной для практики точностью потоком рассеяния можно пренебречь в трех случаях: когда магнитопровод замкнут; когда на пути основного потока имеется воздушный зазор сравнительно малой величины, а магнитная цепь насыщена незначительно и когда размагничивающее действие вторичной обмотки сравнительно не­велико. Иначе говоря, пренебрегать потоком рассеяния можно в тех случаях, когда он мал по сравнению с основным потоком.

Пренебрежение потоком рассеяния значительно облегчает рас­чет магнитной цепи, однако трудности по определению габаритных размеров при заданных параметрах, учету нелинейности кривой намагничивания и размагничивающего действия электромагнит­ных экранов полностью сохраняются.

 ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ
МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для магнитных цепей электрических аппаратов применяются самые разнообразные магнитомягкие материалы, от правильного выбора которых во многом зависит качество конструкции электри­ческого аппарата в целом. Кроме определенных магнитных свойств, материал должен удовлетворять еще необходимым механическим и электрическим параметрам, и выбор его должен быть экономи­чески оправдан.

Важнейшей характеристикой ферромагнитного материала яв­ляется связь между индукцией В (Тл)и напряженностью магнит­ного поля Н (А/м)(рис. 1.11):

.

Здесь µ – относительная магнитная проницаемость, показываю­щая, во сколько раз магнитная проницаемость дан­ной среды больше магнитной проницаемости вакуума;

µ0 – магнитная постоянная или абсолютная проницаемость вакуума, равная ;

µа – абсолютная магнитная постоянная, Гн/м.

 

 

Рис. 1.11. Характеристики магнитных материалов:

а – семейство симметричных петель гистерезиса:
1 – основ­ная кривая намагничивания; 2 – предельная петля гистере­зиса;
б – основная кривая на­магничивания
и кривая относительной магнитной про­ницаемости

Лекция №2

Расчет и экспериментальное определение магнитных проводимостей воздушных промежутков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ
ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ

Для магнитных систем электрических аппаратов, когда учиты­ваются потоки рассеяния и полные потоки воздушного зазора, су­щественным является определение магнитных проводимостей воз­душных путей – проводимостей зазора и рассеяния. Причем точ­ность расчета параметров электрического аппарата с воздушным за­зором во многом определяется точностью расчета проводимостей воздушных путей. Магнитное поле вблизи воздушного зазора для пло­ской магнитной системы трехмерно и имеет очень сложную форму. На рис. 2.1 показано поле между полюсом и плоскостью для различных координат поля выпучивания. Магнитные проводимости этого объемного поля или поля между двумя полюсами можно рассчитать тремя методами. Первый метод, наиболее достоверный, основан на экспериментальном исследова­нии распределения объемного поля и магнитных напряжений между полюсами конечных размеров а и в (рис. 2.1) при различных воздушных зазорах и формах полюсов. Так как поле не плоскопараллельное, то на боковые удельные проводимости оказывают влияние ширина или диаметр полюса.

 

Рис. 2.1. К расчету магнитных проводимостей для расположе­ния
«полюс – плоскость»

Второй метод основан на замене сложного объемного поля воз­душного зазора (см. рис. 2.1) однородным полем, не имеющим поля выпучивания. Для этой цели, при тех же значениях воздушного зазора и максимальной индукции в нем, реальные размеры полюса заменяются расчетными размерами полюсов. Этот метод позволяет определить полное объемное поле воздушного зазора по двум взаимно перпендикулярным плоско-параллельным полям. Суть третьего метода сводится к тому, что объемное поле вокруг воздушного зазора заменяется суммой отдельных полей, имеющих простые геометрические формы. Применение того или иного метода расчета вызывается формой магнитной цепи, известными пределами координат поля выпучи­вания и желаемой точностью расчета. Рассмотрим эти методы.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ ВОЗДУШНЫХ
ЗАЗОРОВ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ ГРАНИ ИЛИ ДИАМЕТРА
СЕРДЕЧНИКА НА БОКОВУЮ УДЕЛЬНУЮ ПРОВОДИМОСТЬ

Этот метод позволяет, пользуясь простыми уравнениями и гра­фиками, провести расчет проводимостей воздушных зазоров с дос­таточной для практики точностью в 5 ÷ 8%.

Определение проводимости воздушного зазора
прямоугольного полюса по координате Z
для случая «полюс – плоскость»

Линии индукции, выходящие из боковых граней, занимают весь объем вокруг полюса и имеют сложную форму (см. рис. 2.1). Поле в результате этого, как уже указывалось, получается не плоскопараллельным. В этом случае вывод аналитической зависи­мости для магнитной проводимости с боковой грани не представляется возможным. Экспериментальное исследование показывает, что такой характер поля приводит к влиянию ширины полюса на боковую удельную проводимость. При плоскопараллельном поле, когда магнитные линии индукции параллельны, боковая удельная проводимость от ширины полюса не зависит. Для учета указанного влияния шири­ны полюса получено семейство кривых удельной боковой проводимости для прямоугольных полюсов (рис. 2.2).

Проводимость между боковой гранью полюса В и плоскостью по высоте координаты z соответственно:

.                                     (2.1)

Кривые удельной проводимости поля с ребер торца для прямоугольных и круглых полюсов представлены на рис. 2.3.

Проводимость между одним ребром и плоскостью определяется по выражению

.                                (2.2)

---

Дата добавления: 2021-04-24; просмотров: 93; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!