Электрический ток связан с магнитным полем, являющимся одним из видов материи. Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток Ф (единица измерения — Вебер), магнитная индукция В (Тесла) и напряженность магнитного поля Н ().

Магнитный поток Ф – это совокупность всех силовых линий магнитного поля. Магнитная индукция В характеризует интенсивность и направление магнитного поля.

Для однородного магнитного поля можно записать соотношение:

В = ,

где S –площадь поперечного сечения магнитного потока Ф.

Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением:

В = μ_аН,

где μ_а — абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды (вещества).

Магнитную проницаемость физических тел принято сравнивать с магнитной проницаемостью вакуума, которую называют магнитной постоянной μ_0:

(μ₀=4π·10^-7).

Число, показывающее во сколько раз магнитная проницаемость данного вещества больше магнитной проницаемости вакуума, называется относительной магнитной проницаемостью μ.

μ_а = μ·μ₀

В = μ·μ₀·Н

Произведение тока I на число витков W катушки (I·W) называется магнитодвижущей (намагничивающей) силой Fм (МДС)

F_м = I·W

Единица измерения магнитодвижущей силы (МДС) – Ампер-виток.

Магнитное сопротивление магнитной цепи Rм прямо пропорционально длине магнитопровода l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S и зависит от абсолютной магнитной проницаемости μ_а материала сердечника катушки:

R_м=

Магнитное сопротивление определяется воздушным зазором, через который проходит магнитный поток.

Закон Ома для магнитной цепи имеет вид:

Ф = ,

где

F_м – намагничивающая сила (МДС);
R_м – магнитное сопротивление.

Этот закон аналогичен закону Ома для электрической цепи, а магнитный поток Ф соответствует силе тока I.

I = , Ф→I, F_м→U, R_м→R

Все вещества по величине магнитной проницаемости делятся на диамагнетики — материалы, ослабляющие внешнее магнитное поле, (медь, серебро, висмут): μ_а < μ₀; парамагнетики, усиливающие внешнее магнитное поле, но незначительно (алюминий, натрий, кислород): μ_а > μ₀; ферромагнетики, значительно усиливающие внешнее магнитное поле (железо, кобальт, никель и их сплавы):
μ_а >> μ₀.

В ферромагнетиках внутреннее магнитное поле представляется областями спонтанного намагничивания – доменами, которые ориентируются в направлении силовых линий магнитной индукции внешнего поля и значительно усиливают его.

Магнитная индукция В имеет нелинейную зависимость от напряженности Н магнитного поля (рис.14.1)

При ненамагниченном ферромагнитном сердечнике (точка 0), увеличение напряженности внешнего поля приводит к быстрому увеличению магнитной индукции, так как домены (магнитики) сердечника интенсивно поворачиваются в направлении силовых линий магнитной индукции. При дальнейшем увеличении напряженности количество неориентированных доменов уменьшается. При некотором значении Н все домены (элементарные магнитики) будут сориентированы по направлению поля, и увеличение напряженности не приведет к увеличению магнитной индукции поля, то есть наступает насыщение сердечника (точка b). Кривую оb на рис.14.1 называют кривой намагничивания ферромагнетика.

Если начать сердечник размагничивать, то уменьшение напряженности поля не будет соответствовать уменьшению магнитной индукции (кривая bc), которая будет отставать и при Н=0 не будет равна нулю (точка с). Часть доменов (магнитиков) остались повернутыми в направлении силовых линий внешнего магнитного поля. Явление «отставания» магнитной индукции от напряженности поля называют магнитным гистерезисом. На рис.14.1 координате В_с соответствует остаточная магнитная индукция.

Для полного размагничивания сердечника нужно изменить направление напряженности магнитного поля. Напряженность поля Н_с, при которой произойдет размагничивание сердечника (В=0), называется коэрцитивной силой. Если произвести перемагничивание сердечника, изменяя направление напряженности (от +Н до –Н и от –Н до +Н), то получится петля гистерезиса (рис.14.1). При перемагничивании сердечника происходит потеря энергии из-за «поворота» доменов и сердечник нагревается (потери от гистерезиса). Величина потерь от гистерезиса пропорциональна площади петли гистерезиса.

Ферромагнитные материалы подразделяются на группы:

1. магнито-мягкие материалы с узкой петлей гистерезиса;
2. магнито-твердые материалы с широкой петлей гистерезиса.

Магнито-мягкие материалы имеют минимальные потери из-за гистерезиса. Из-за малой величины коэрцитивной силы они легко намагничиваются и размагничиваются. К магнито-мягким материалам относятся электротехническая сталь, пермаллой, пермендюр. Электротехническая сталь широко применяется в магнитопроводах электрических машин, в трансформаторах, в силовой коммутационной аппаратуре.

Ферриты – это смесь тонких порошков окислов железа с окислами цинка, меди, магния, обработанных под большим давлением при высокой температуре. Сердечники из ферритов работают в слабых магнитных полях при радиочастотах, имеют высокую магнитную проницаемость и малые потери из-за гистерезиса.

Магнито-твердые материалы имеют широкую петлю гистерезиса и используются для изготовления постоянных магнитов. Обладают большой коэрцитивной силой и могут долго сохранять магнитные свойства после намагничивания. К наиболее распространенным магнито-твердым материалам относятся сплавы на основе железа, кобальта, никеля, алюминия (альнико) и постоянные магниты из бариевых сплавов.

Основные аппараты управления и защиты

Наибольшее применение получили контакторы, реле, магнитные пускатели, автоматические выключатели.

Контактор – это электромагнитный выключатель, предназначенный для замыкания (коммутирования) электрических цепей при пуске, остановке, торможении и реверсировании электрических двигателей. Контактор состоит из магнитопровода с катушкой и подвижных и неподвижных контактов. При протекании управляющего тока по катушке якорь с подвижными контактами притягивается к сердечнику магнитопровода и происходит замыкание силовой цепи. При отключении катушки специальная пружина отводит якорь от сердечника и происходит размыкание цепи.

Магнитные пускатели – это электрические аппараты, объединяющие контакторы и тепловые реле. Тепловые реле обеспечивают защиту электрической цепи электродвигателей от перегрузок.

Реле – это коммутационный аппарат небольшой мощности, реагирующий на заданную физическую величину (напряжение, ток, частоту, давление). Реле предназначено для выполнения управляющих, защитных и логических операций в системах автоматического управления и защиты.

В зависимости от предназначения реле делятся на минимальные, максимальные реле (тока, напряжения), промежуточные реле, реле времени. В зависимости от принципа действия реле подразделяются на электромагнитные, тепловые, давления. На рис.14.2 показана конструктивная схема электромагнитного реле клапанного типа.

При подаче управляющего сигнала Uy на катушку реле возникает электромагнитная сила притяжения якоря 3 к ярму 1 и реле срабатывает, замыкая контакты 5 и 6 с помощью клапана 4. После срабатывания реле исполнительный механизм 7 производит требуемое действие. При обесточивании катушки реле противодействующая пружина 2 отводит якорь 3 от ярма 1 и происходит размыкание контактов.

Автоматические выключатели представляют собой сочетание теплового реле, контактора, дугогасительного устройства и механизма расцепления контактов. Они обеспечивают автоматическое отключение цепи при нарушении нормального режима работы (при перегрузках, коротких замыканиях).

Магнитной цепью называют совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и образующих замкнутую цепь, в которой при наличии магнитодвижущей силы (МДС) образуется магнитный поток и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции.

При расчете магнитной цепи должны быть заданы материал, форма и размеры магнитопровода, причем различают прямую и обратную задачи.

При решении прямой задачи по заданному в какой-либо части магнитной цепи магнитному потоку Ф или индукции В определяют необходимую магнитодвижущую силу (МДС).

При обратной задаче по заданной МДС определяют магнитный поток Ф или магнитную индукцию поля В.

Расчет магнитной цепи во всех случаях основан на применении законов Ома и Кирхгофа для магнитной цепи.

Первый закон Кирхгофа читается так: алгебраическая сумма магнитных потоков Ф в узле магнитной цепи равна нулю.

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа гласит:

В неоднородной магнитной цепи алгебраическая сумма магнитных напряжений U_м=H_l на участках цепи равна алгебраической сумме МДС обмоток.

или