Свойства ферромагнитных материалов и их применение в технике
Вокруг проводника с электрическим током, даже в вакууме, существует магнитное поле. И если в это поле внести вещество, то магнитное поле изменится, поскольку любое вещество в магнитном поле намагничивается, то есть приобретает больший или меньший магнитный момент, определяемый как сумма элементарных магнитных моментов, связанных с частями, из которых состоит данное вещество.
Суть явления заключается в том, что молекулы многих веществ обладают собственными магнитными моментами, ведь внутри молекул движутся заряды, которые образуют элементарные круговые токи, и значит сопровождаются магнитными полями. Если внешнего магнитного поля к веществу не приложено, магнитные моменты его молекул ориентированы в пространстве хаотично, и суммарное магнитное поле (как и общий магнитный момент молекул) такого образца будет равно нулю.
Ежели образец внести во внешнее магнитное поле, то ориентация элементарных магнитных моментов его молекул приобретет под действием внешнего поля преимущественное направление. В результате суммарный магнитный момент вещества уже не будет нулевым, ведь магнитные поля отдельных молекул в новых условиях не компенсируют друг друга. Так у вещества возникает магнитное поле B.
Если же молекулы вещества изначально не имеют магнитных моментов (есть и такие вещества), то при внесении подобного образца в магнитное поле, в нем индуцируются круговые токи, то есть молекулы приобретают магнитные моменты, что опять же в результате приводит к возникновению у образца суммарного магнитного поля B.
Большинство известных веществ слабо намагничиваются в магнитном поле, но встречаются и такие вещества, которые отличаются сильными магнитными свойствами, их то и называют ферромагнетиками. Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, а также их сплавы.
К ферромагнетикам относятся твердые вещества, которые при невысоких температурах обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, сильно изменяющейся под действием внешнего магнитного поля, механической деформации или изменяющейся температуры. Именно так ведут себя сталь и железо, никель и кобальт, а также из сплавы. Их магнитная проницаемость в тысячи раз выше чем у вакуума.
Именно по этой причине в электротехнике для проведения магнитного потока и для преобразования энергии традиционно используют магнитопроводы из ферромагнитных материалов.
У подобных веществ магнитные свойства зависят от магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — электронов, движущихся внутри атомов. Конечно, электроны, двигаясь по орбитам в атомах вокруг своих ядер, образуют круговые токи (магнитные диполи). Но при этом электроны вращаются еще и вокруг своих осей, создавая спиновые магнитные моменты, которые как раз и играют главную роль в намагничивании ферромагнетиков.
Ферромагнитные свойства проявляются лишь тогда, когда вещество пребывает в кристаллическом состоянии. Кроме того данные свойства сильно зависят от температуры, ведь тепловое движение препятствует устойчивой ориентации элементарных магнитных моментов. Так, для каждого ферромагнетика определяется конкретная температура (точка Кюри), при которой структура намагничивания разрушается и вещество превращается в парамагнетик. Например для железа это 900 °C.
Даже в слабых магнитных полях ферромагнетики способны намагнититься до состояния насыщения. Кроме того их магнитная проницаемость зависит от величины приложенного внешнего магнитного поля.
Вначале процесса намагничивания магнитная индукция B в ферромагнетике растет сильнее, а значит магнитная проницаемость его велика. Но когда наступает насыщение, дальнейшее увеличение магнитной индукции внешнего поля не приводит больше к нарастанию магнитного поля ферромагнетика, и значит магнитная проницаемость образца уменьшилась, теперь она стремится к 1.
Важное свойство ферромагнетиков — остаточная намагниченность. Допустим, в катушку поместили ферромагнитный стержень, и, повышая ток в катушке, довели его до насыщения. После этого отключили ток в катушке, то есть убрали магнитное поле катушки.
Можно будет заметить, что стержень размагнитился не до того состояния, в котором он пребывал вначале, его магнитное поле окажется больше, то есть будет иметь место остаточная индукция. Стержень превратился таким образом в постоянный магнит.
Чтобы обратно размагнитить такой стержень, необходимо будет приложить к нему внешнее магнитное поле противоположного направления, и с индукцией равной остаточной индукции. Значение модуля магнитной индукции поля, которое необходимо приложить к намагниченному ферромагнетику (постоянному магниту) чтобы размагнитить его, называется коэрцитивной силой.
Явление, когда при намагничивании ферромагнетика индукция в нем отстает от индукции приложенного магнитного поля, называется магнитным гистерезисом (смотрите — Что такое гистерезис).
Кривые намагничивания (петли гистерезиса) у разных ферромагнитных материалов отличаются друг от друга.
У некоторых материалов петли гистерезиса широкие — это материалы с высокой остаточной намагниченностью, их относят к магнитно-твердым материалам. Магнитно-твердые материалы применяют в изготовлении постоянных магнитов.
Магнитно-мягкие материалы наоборот — имеют узкую петлю гистерезиса, малую остаточную намагниченность, они легко перемагничиваются в слабых полях. Именно магнитно-мягкие материалы применяют в качестве магнитопроводов трансформаторов, статоров двигателей и т. п.
Сегодня ферромагнетики играют очень важную роль в технике. Магнитно-мягкие материалы (ферриты, электротехнические стали) используются в электромоторах и генераторах, в трансформаторах и дросселях, а также в радиотехнике. Из ферритов изготавливают сердечники катушек индуктивности.
Магнитно-твердые материалы (ферриты бария, кобальта, стронция, неодим-железо-бор) применяют для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных и акустических приборах, в двигателях и генераторах, в магнитных компасах и т. д.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Источник
Что такое магнитопровод и где он используется
Два составных корня «магнит» и «провод», соединенные буквой «о», определяют назначение этого электротехнического устройства, созданного для надежного пропускания магнитного потока по специальному проводнику с минимальными или, в отдельных случаях, определенными потерями.
Электротехническая промышленность широко использует взаимную зависимость электрической и магнитной энергий, переход их из одного состояния в другое. На этом принципе работают многочисленные трансформаторы, дроссели, контакторы, реле, пускатели, электродвигатели, генераторы и другие подобные устройства.
В их конструкцию входит магнитопровод, пропускающий магнитный поток, возбужденный прохождением электрического тока, для дальнейшего преобразования электрической энергии. Он является одной из составных частей магнитной системы электротехнических устройств.
Магнитопровод электротехнического изделия (устройства) (Coil flux guide) — магнитная система электротехнического изделия (устройства) или совокупность нескольких ее частей в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).
Из чего изготавливают магнитопровод
Вещества, которые входят в его конструкцию, могут обладать различными магнитными свойствами. Их принято классифицировать на 2 вида:
Для их отличия используется термин «магнитная проницаемость µ», которая определяет зависимость созданной магнитной индукции B (силы) от величины приложенной напряженности H.
Приведенный график показывает, что ферромагнетики обладают сильно выраженными магнитными свойствами, а у парамагнетиков и диамагнетиков они слабые.
Однако, индукция ферромагнетиков при дальнейшем увеличении напряженности начинает снижаться, имея одну ярко выраженную точку максимальной величины, характеризующей момент насыщения вещества. Она используется при расчетах и эксплуатации магнитных цепей.
После прекращения действия напряженности какая-то часть магнитных свойств остается у вещества и, если к нему приложить противоположное поле, то часть его энергии станет расходоваться на преодоление этой доли.
Поэтому у цепей переменного электромагнитного поля наблюдается отставание индукции от приложенной напряженности. Подобную зависимость намагниченности вещества ферромагнетиков характеризует график, получивший название гистерезиса.
На нем точками Нк показана ширина петли, которая характеризует остаточный магнетизм (коэрцитивную силу). По ее размеру ферромагнетики подразделяют на две категории:
1. мягкие, с узкой характеристикой петли;
2. твердые, имеющие большую коэрцитивную силу.
К первой категории относят мягкие сплавы железа и пермолой. Из них изготавливают сердечники для трансформаторов, электродвигателей и генераторов переменного тока потому, что они создают минимальные затраты энергии на перемагничивание.
Жесткие ферромагнетики из углеродистых сталей и специальных сплавов применяются в различных конструкциях постоянных магнитов.
При выборе материала для магнитопровода учитывают потери на:
вихревые токи, создаваемые от действия ЭДС, наведенной магнитным потоком;
последействие, обусловленное магнитной вязкостью.
Для конструкций магнитопроводов, работающих на переменном токе, выпускаются специальные сорта листовой или рулонной тонкостенной стали с различной степенью легирующих добавок, которые производятся методами холодного или горячего проката. Причем холоднокатаная сталь дороже, но обладает меньшими потерями индукции.
Из стальных листов и рулонов механическими методами обработки создают пластины или ленты. Их покрывают слоем лака для защиты и обеспечения изоляции. Двухстороннее покрытие более надежное.
Для реле, пускателей и контакторов, эксплуатируемых в цепях постоянного тока, магнитопроводы отливают цельными блоками.
Среди них распространены два вида магнитопроводов:
Первый тип выполнен двумя стержнями, на каждом из которых раздельно надеты две катушки с обмотками высокого или низкого напряжения. Если размещать на стержне по одной обмотке ВН и НН, то возникают большие потоки рассеивания энергии, возрастает составляющая реактивного сопротивления.
Магнитный поток, проходящий по стержням, замыкается верхним и нижним ярмом.
Броневой тип имеет стержень с обмотками и ярмами, от которого магнитный поток раздваивается на две половины. Поэтому его площадь в два раза превышает сечение ярма. Такие конструкции чаще встречаются в трансформаторах малой мощности, где не создаются большие тепловые нагрузки на конструкцию.
Силовым трансформаторам нужна большая поверхность охлаждения обмоток, вызванная преобразованием повышенных нагрузок. К ним лучше подходит стержневая схема.
Для них можно использовать три однофазных магнитопровода, разнесенных на одну треть длины окружности или собрать обмотки на общем железе в своих ячейках.
Если рассматривать общий магнитопровод из трех одинаковых конструкций, разнесенных по углу на 120 градусов, как показано на левой верхней части картинки, то внутри центрального стержня суммарный магнитный поток будет сбалансирован и равен нулю.
Однако, на практике чаще используют упрощенную конструкцию, расположенную в одной плоскости, когда три разных обмотки располагают на отдельном стержне. При этом способе магнитный поток от крайних катушек проходит по большому и малому кольцу, а от средней — по двум соседним. За счет образования неравномерного распределения дистанций создается определенный дисбаланс магнитных сопротивлений.
Он накладывает отдельные ограничения для расчетов конструкции и некоторых режимов эксплуатации, особенно холостого хода. Но в целом такая схема магнитопровода широко применяется на практике.
Приведенные на верхних картинках магнитопроводы делают из пластин, а на собранные стержни надевают катушки. Эта технология применяется на автоматизированных предприятиях с большим станочным парком.
На маленьких производствах может использоваться технология ручной сборки за счет ленточных заготовок, когда первоначально изготавливается катушка с намотанным проводом, а после этого вокруг нее последовательными витками монтируется магнитопровод из ленты трансформаторного железа.
Подобные витые магнитопроводы тоже создаются по стержневому и броневому типу.
У ленточной технологии допустимой толщиной материала является величина 0,2 или 0,35 мм, а для сборки пластинами она может быть выбрана 0,35 либо 0,5 или даже больше. Это объясняется необходимостью плотной намотки ленты между слоями, что сложно выполнять вручную при работе с толстыми материалами.
Если при намотке ленты на катушку ее длины не хватает, то допускается стыковать к ней продолжение и надежно прижимать его новым слоем. Аналогичным образом собираются пластины стержней и ярма в пластинчатых магнитопроводах. Во всех этих случаях стыки необходимо делать с минимальными размерами, ибо они влияют на общее магнитное сопротивление и потери энергии в целом.
Для точной работы создания подобных стыков стараются избегать, а когда их исключить невозможно, то применяют шлифовку краев, добиваясь плотного прилегания металла.
При ручной сборке конструкции довольно сложно бывает точно сориентировать пластины между собой. Поэтому в них делали отверстия и вставляли шпильки, которые обеспечивали хорошее центрирование. Но такой способ слегка уменьшает площадь магнитопровода, искажает прохождение силовых линий и магнитное сопротивление в целом.
Большие автоматизированные предприятия, занимающиеся специализированным выпуском магнитопроводов для точных трансформаторов, реле, пускателей, отказались от пробивных отверстий внутри пластин и применяют другие технологии сборки.
Шихтованные и стыковые конструкции
Магнитопроводы, создаваемые на основе пластин, могут собираться за счет отдельной подготовки стержней с ярмами и последующего монтажа катушек с обмотками, как показано на картинке.
Справа приведена упрощенная стыковая схема сборки. У нее может проявиться серьезный недостаток — «пожар в стали», который характеризуется возникновением вихревых токов в сердечнике до критической величины, как показано на картинке внизу слева волнистой красной линией. Это создает аварийную ситуацию.
Устраняют этот дефект изоляционным слоем, который значительно влияет на увеличение намагничивающего потока. А это уже лишние потери энергии.
В отдельных случаях необходимо увеличить такой зазор для повышения реактивного сопротивления. Этот прием используется в индуктивностях и дросселях.
По перечисленным причинам стыковая схема сборки используется в неответственных конструкциях. Для точной работы магнитопровода используют шихтованную сборку пластин.
Ее принцип основан на четком распределении слоев и создании в нем одинаковых зазоров в стержне и ярме таким образом, чтобы при сборке все созданные полости заполнялись с минимальными стыками. При этом пластины стержня и ярма переплетаются между собой, образуя прочную и жесткую конструкцию.
На предыдущей верхней картинке показан шихтованный способ соединения прямоугольных пластин. Однако, меньшими потерями магнитной энергии обладают косоугольные конструкции, создаваемые обычно под 45 градусов. Они применяются в мощных магнитопроводах силовых трансформаторов.
На картинке показана сборка нескольких косоугольных пластин при частичной расшихтовке общей конструкции.
Даже при этом методе необходимо следить за качеством прилегания стыкуемых поверхностей и отсутствием в них недопустимых зазоров.
Метод применения косоугольных пластин обеспечивает минимальные потери магнитного потока в углах магнитопровода, но он значительно усложняет процесс изготовления и технологию сборки. За счет повышенной трудоемкости работ его используют очень редко.
Шихтованный метод сборки более надежен. Конструкция отличается прочностью, для нее требуется меньше деталей, а сборка проводится по заранее подготовленной методике.
При этом способе из пластин создается общая конструкция. После полной сборки магнитопровода возникает необходимость монтажа обмотки на нем.
Для этого приходится разбирать уже собранное верхнее ярмо поочередным изъятием всех его пластин. Чтобы исключить такую лишнюю операцию разработана технология сборки магнитопровода непосредственно внутри подготовленных катушек с обмотками.
Упрощенные модели шихтованных конструкций
На трансформаторах малой мощности часто не требуется точное выдерживание магнитных параметров. Для них создают заготовки методами штамповки по подготовленным шаблонам с последующим покрытием изоляционным лаком, причем, чаще всего, с одной стороны.
Левая сборка магнитопровода создается вводом в катушки заготовок сверху и снизу, а правая позволяет отгибать и вводить во внутреннее отверстие обмотки центральный стержень. При этих методах образуется небольшой воздушный зазор между стыкуемыми пластинами.
После сборки комплекта пластины плотно сжимаются крепежными элементами. Для уменьшения вихревых токов с магнитными потерями на них наносится слой изоляции.
Особенности магнитопроводов реле, пускателей
Принципы создания пути для прохождения магнитного потока остались теми же. Только магнитопровод разделяется на две части:
2. стационарно закрепленную.
При возникновении магнитного потока подвижный якорь вместе с закрепленными на нем контактами притягивается по принципу электромагнита, а при исчезновении — возвращается в исходное состояние под действием механических пружин.
Переменный ток постоянно меняется по величине и амплитуде. Эти изменения передаются магнитному потоку и подвижной части якоря, который может гудеть и вибрировать. Для исключения этого явления расщепляют магнитопровод вставкой короткозамкнутого витка.
В нем образуется раздвоение магнитного потока и сдвиг фазы одной его части. Тогда при переходе через нулевую точку одной ветви во второй действует сила, препятствующая вибрациям, и наоборот.
Магнитопроводы для устройств постоянного тока
В этих цепях отпадает необходимость бороться с вредным воздействием вихревых токов, которые проявляются при гармоничных синусоидальных колебаниях. Для магнитопроводов не используют наборы из тонких пластин, а изготавливают их прямоугольными или закругленными деталями методом цельных отливок.
При этом сердечник, на который насаживается катушка, делается круглым, а корпус и ярмо — прямоугольной формы.
С целью уменьшения первоначального тягового усилия воздушный зазор между разведенными частями магнитопровода имеет маленькую величину.
Магнитопроводы электрических машин
Наличие подвижного ротора, который вращается в поле статора, накладывает особенности на конструкции электродвигателей и генераторов. Внутри них необходимо расположить обмотки, по которым протекает электрический ток таким образом, чтобы обеспечить минимальные габариты.
С этой целью прямо в магнитопроводах изготавливаются полости для укладки проводов. Для этого сразу при штамповке пластин в них создаются пазы, которые после сборки представляют готовые магистрали под обмотки.
Таким образом, магнитопровод является неотъемлемой частью многих электротехнических устройств и служит для передачи магнитного потока.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
