Магнитные цепи на переменном токе. Магнитные потери.

Магнитные цепи, в которых магнитное поле возбуждается катушками,питаемыми переменным током- трансформатор асинхронный двигатель, магнитный пускатель- называются магнитными цепями переменного тока.

Переменный ток создает в сердечнике магнитное поле, изменение которого сопровождается циклическим перемагничиванием материала сердечника.

Для катушки с ферромагнитным сердечником линейная связь между напряжением и током нарушается в отличии катушки, в немагнитную среду. Это объясняется нелинейной зависимостью B(H).

Данное явление носит название магнитный гистерезис, а петля гистерезиса соответствует одному циклу перемагничивания (за один период гармонического сигнала рабочая точка перемещается от точки А через и к точке D и через точку C снова к точке А (см рис.3,б).

Перемагничивание магнитного материала связано с затратой работы,а следовательно,с потерями на нагрев (потерями на гистерезис).Потери эти пропорциональны площади петли. Вид и параметры петли гистерезиса зависят от марки материала. Узкая петля гистерезиса присуща магнитомягким материалам (сталь электротехническая,железо,сплав железа с никелем или кобальтом) и обуславливает небольшие потери на гистерезис. Значительно труднее перемагнитить магнитотвердые материалы, ширина которых во много раз (до 1000) превышает ширину пели электротехнической стали. Для них потери на гистерезис значительны.

Рис.10.Вихревые токи в магнитопроводе.

При работе на переменной токе электромагнитные устройства характеризуются также потерями на вихревые токи.

На рис.10,а,показано сечение магнитопровода, выполненного из сплошного куста железа. Переменное магнитное поле с индукцией B пронизывает трубопровод и вокруг каждой силовой линии магнитного поля в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, вызывающая ток .Этот ток получил название вихревой ток. Поскольку все вихревые токи имеют одно и тоже направление (правило буравчика),суммарный ток будет замыкаться по всему магнитопроводу. При этом электрическое сопротивление магнитопровода сравнительно мало, поскольку площадь сечения S велика.

Следовательно, вихревые токи значительны. Протекая по магнитопроводу, они ведут к его существенному нагреву.

Если же магнитопровод выполнить из тонких отдельных пластин железа,изолированных электрически друг от друга(рис.10,б),то электрическое сопротивление вихревым током можно существенно повысить,значительно уменьшив площадь сечения S.Одновременно уменьшается и величина наведенной ЭДС. Вихревые токи будут значительно меньше. Соответственно меньше будет и нагрев магнитопровода,т.е потери на вихревые токи.

Аналогично можно проанализировать влияние вихревых токов в работающей электрической машине. Если медленную рамку расположить на ферромагнитном цилиндре(роторе электрической машины) и,поместив в магнитное поле, заставив вращаться,то в рамке в соответствии с законом электромагнитной индукции наведеться ЭДС и потечет ток(генератор).Значительная ЭДС наведется и в материале ротора, и по нему также потекут токи-вихревые. Поскольку сечение ротора велико и электрическое сопротивление его мало, то токи могут достигать значительной величины, приводя к существенному нагреву материала ротора.

Для уменьшения вихревых токов ротор выполняют из набора пластин листового железа толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных электрически друг от друга лаком. Это позволяет значительно уменьшить и вихревую ЭДС и сечение ферромагнитного материала, тем самым повысив его сопротивление. Кроме того, в железо вводят 2…4%кремния что повышает удельное электрическое сопротивление материала в 6-10раз.

Аналогично из отдельных пластин трансформаторного железа выполняется магнитопровод трансформатора,в котором вихревые токи наводятся переменным магнитным потоком. Это позволяет снизить потери на вихревые токи и поднять КПД.

Таким образом, вихревые токи не только бесполезны в большинстве электромагнитных устройств, но и вредны, так как снижают КПД.

В то же время свойство вихревых токов нагревать металл - индукционный нагрев – широко используется в промышлености для плавки металла и закалки деталей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Приведите алгоритм расчета магнитный цепей?

2.Назовите причины низкой точности расчета электромагнитных устройств?

3.Перечислете виды магнитных потерь при работе электромагнитных устройств на переменном токе?

4.Назовите основные способы снижения магнитных потерь?

Приложение 1