Что такое электромагнитные устройства
Перейти к содержимому

Что такое электромагнитные устройства

  • автор:

27.Электромагнитные устройства.

В современной радиоэлектронной аппаратуре и средствах автоматики широко используются различные приводные, программные, переключающие, тормозные, фиксирующие, блокирующие и другие электромагнитные устройства, построенные на основе таких исполнительных элементов, как электромагниты, соленоиды, электромагнитные муфты. В состав автоматизированных, полуавтоматизированных и ручных систем управления электроэнергетическими установками, электроприводами, технологическими установками и т.п. входят электромагнитные устройства (контакторы, пускатели, реле, электромагниты). С помощью этих устройств производится регулирование токов и напряжений генераторов. Они выполняют функции контроля и защиты установок, потребляющих электроэнергию. Основными частями электромагнитных устройств являются электромагнитные механизмы: электрические контакты, механический или электромагнитный привод контактной группы, кнопки управления.

По назначению различают следующие электромагнитные устройства:

-коммутационные (разъединители, выключатели, переключатели);

-защитные (предохранители, реле защиты);

-пускорегулирующие (контакторы, пускатели, реле управления);

-контролирующие и регулирующие (датчики, реле);

В электромагнитном механизме осуществляется преобразование электрической энергии источника питания в механическую энергию перемещения якоря. Электромагнитное реле — это устройство, в котором при достижении определенного значения входной величины выходная величина изменяется скачком. Выходные контакты реле замыкаются или размыкаются.

28.Трансформаторы:назначение, устройство, характеристики. Виды трансформаторов.

Трансформа́тор— электрическая машина, состоящая из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе или без него и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока. Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала. Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)

Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Виды. Силовой трансформатор — трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии. Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Трансформа́тор то́ка — трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение — для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А , 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. Трансформатор напряжения — трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение — преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения. Импульсный трансформатор — это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса [13] . Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Согласующий трансформатор — трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем. Пик-трансформатор — трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью. Трансфлюксор — разновидность трансформатора, используемая для хранения информации.

Электромагнитное устройство

Электромеханические преобразователи — это класс устройств, созданных для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Также возможно преобразование электрической энергии в электрическую же энергию другого рода. Основным видом электромеханического преобразователя является электродвигатель (электрогенератор).

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Пьезоэлектри́ческие преобразова́тели — устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие электрическую энергию в механическую и наоборот.

В 1950-е в CCCP и США, радиопередатчики (РПУ) для импульсно-фазовых и фазовых радиотехнических систем дальней навигации (РСДН-3 «Тропик-2», РСДН-20 «Маршрут», «Loran-C», «Омега») были построены с использованием электровакуумных приборов, то есть радиоламп с принудительным воздушным (или водяным) охлаждением.

Презентация на тему "Электромагнитные устройства"

Презентация: Электромагнитные устройства

Интересует тема «Электромагнитные устройства»? Лучшая powerpoint презентация на эту тему представлена здесь! Данная презентация состоит из 43 слайдов. Средняя оценка: 3.0 балла из 5. Также представлены другие презентации по физике для студентов. Скачивайте бесплатно.

Содержание

Презентация: Электромагнитные устройства

Электромагнитные устройства

Слайд 2
Слайд 3

Трансформаторы.

Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное преимущественно для преобразования одного переменного напряжения в другое (или другие) той же частоты. Реже трансформаторы применяются для преобразования частоты, числа фаз и тока в напряжение (трансреакторы).

Слайд 4

Трансформатор имеет не менее двух обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы друг от друга. Это позволяет применять трансформаторы для электрической развязки цепей (такая развязка называется также развязкой по постоянному току или гальванической).

Слайд 5

Для усиления индуктивной связи в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магнитопроводе, который с целью снижения влияния вихревых токов собирается из листовой электротехнической стали. В воздушных трансформаторах, которые применяются при частотах примерно свыше 20 кГц, магнитопровод отсутствует

Слайд 6

Обмотка трансформатора, присоединенная к источнику питания, называется первичной. Соответственно, величины, относящиеся к этой обмотке,- число витков, напряжение и ток — именуются первичными. Обмотка, к которой подключается нагрузка трансформатора (электроприемник), и относящиеся к ней величины называются вторичными.

Слайд 7

Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупности трехфазных обмоток одного напряжения.

Слайд 8

. На рис.26.1 показаны основные условные графические обозначения однофазного (1, 2, 3) и трехфазного (4, 5, 6) трансформаторов.

Слайд 9

Впервые с техническими целями трансформатор был применен Яблочковым П.Н. в 1876 г. для питания электрических свечей. Повсеместное распространение трансформаторы получили после того, как М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891).

Слайд 10

Принцип действия однофазного трансформатора

На рис. 26.2, а приведена принципиальная конструкция однофазного трансформатора. Со стороны вторичной обмотки, содержащей w2 витков, т.е. для нагрузки R2, трансформатор является источником электроэнергии, а со стороны первичной обмотки, содержащей w1 витков, — приемником энергии от источника питания.

Слайд 11

Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора. Предположим сначала, что цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута и при действии источника напряжения u1 = e ток в первичной обмотке равен i1. Магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки i1w1 создает в магнитопроводе магнитный поток Ф1, положительное направление которого определяется правилом буравчика. Этот магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции eL1 (на рисунке не показана), а во вторичной обмотке – ЭДС взаимной индукции еМ2 (на рисунке также не показана). После замыкания цепи вторичной обмотки под действием ЭДС взаимной индукции еМ2 в нагрузке R2 возникнет ток i2 такого направления, что обусловленная им МДС i2w2 создает в магнитопроводе магнитный поток Ф2 , направленный встречно по отношению к Ф1.

Слайд 12

Следовательно, первичная и вторичная обмотки рассматриваемого трансформатора включены встречно и результирующая МДС этих обмоток равна ilwl — i2w2. Эта МДС возбуждает в магнитопроводе общий магнитный поток Ф. Кроме того, при анализе работы трансформатора нужно учесть потокосцепления рассеяния первичной Ψрас1 и вторичной Ψрас2 обмоток, которые пропорциональны соответственно токам il и i2. В схеме замещения трансформатора эти потоки учитываются индуктивностями рассеяния Lрас1 и Lрас2.

Слайд 13

Трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого не имеют активных сопротивлений и потокосцеплений рассеяния, называется идеализированным трансформатором. На рис. 26.2 идеализированный трансформатор выделен штриховой линией.

Слайд 14

На рис. 26.3 приведена схема включения идеализированного однофазного трансформатора между источником ЭДС E и электроприемником с комплексным сопротивлением нагрузки Z2. Определим соотношения между основными величинами этой цепи.

Слайд 15
Слайд 16

Выражение (26.2) справедливо по отношению ко всем обмоткам трансформатора и может быть использовано для определения числа их витков при известных напряжениях, в том числе – для определения числа витков w2 .

Слайд 17

3. Мощность потерь в трансформаторе.

Слайд 18
Слайд 19
Слайд 20

Электрические машины

Слайд 21

Машины постоянного тока

Электрическими машинами называются устройства, предназначен­ные для преобразования механической энергии вращения в электри­ческую (генератор) и наоборот, электрическую энергию в механичес­кую (двигатель). Работа электрической машины основана на единст­ве закона электромагнитной индукции и закона электромагнитных сил.

Слайд 22

Возьмем устройство, состоящее из двух магнитных полюсов создающих постоянное магнитное поле, и якоря – стального цилиндра с уложен­ным на нем витком из электропроводного материала. Концы витка при­соединены к двум металлическим полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца соприкасаются с неподвижными щет­ками, соединенными с внешней цепью (рисунок 1.1).

Слайд 23

При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка ab и cd при пересечении ими магнитного поля будет индуктироваться ЭДС, которая при наличии стального цилиндра равна e = BLV где V – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля; B – индукция магнитного поля; L – длина активной части витка.

Слайд 24

Направления ЭДС в проводниках ab и cd определяется по правилу правой руки. По контуру abcd эти ЭДС складываются и, так как верхний и нижний проводники находятся в одинаковых магнитных ус­ловиях, то ЭДС витка будет

Слайд 25

Таким образом, в данных условиях характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределе­ния индукции в зазоре. Распределение ее по окружности якоря нерав­номерное, так как магнитное сопротивление Rμ потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в проме­жутке между полюсами индукция уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения (рисунок 1.2,а). Линия dd, проходящая через центр якоря вдоль полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами, называется поперечной осью. Поперечную ось также называют геометрической ней­тралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называет полюсным делением и обозначают τ.

Слайд 26
Слайд 27

При вращении якоря через каждые полоборота проводники ab и cd оказываются в поле противоположных полюсов. Поэтому направле­ние ЭДС в них меняется на противоположное. Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС (рисунок 1.2,б). Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают спе­циальный переключатель, называемый коллектором. Проводники ab и cd присоединяются к полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца (пластины коллектора) соприкасаются с непод­вижными щетками, соединенными с внешней цепью.

Слайд 28

При вращении якоря каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, который на­ходится под полюсом данной полярности. Направление ЭДС в витке изменяется на линии геометрической нейтрали и в это же момент происходит переключение полуколец к щеткам А и В. В резуль­тате полярность щеток в процессе работы машины остается неизмен­ной, а ЭДС и ток во внешней цепи становятся постоянными по направ­лению и переменным» по величине (рисунок 1.3).

Слайд 29
Слайд 30

Таким образом, кол­лектор играет роль механического переключателя сторон витка к щет­кам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсацию ЭДС и тока во внешней цепи, на якоре располагают несколько витков, при­соединенных к соответствующим парам коллекторных пластин и сдви­нутых относительно друг друга на некоторый угол. Практически уже при 16 витках на якоре пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянными не только по направ­лению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор пос­тоянного тока.

Слайд 31

Рассмотрим работу данной системы в режиме двигателя. Если к щеткам приложить напряжение внешнего источника электроэнергии, то в витке потечёт ток. Согласно закону электромагнитных сил на каж­дую сторону витка будет действовать сила Эти силы создадут вращающий момент

Слайд 32

Под действием этого момента якорь начнет вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу. После прохождения сторонами витка линии геометрической нейтрали они попадают в зону полюса противоположной полярности. Но в это же время в них изменяется и направле­ние тока, что осуществляется с помощью коллектора. В резуль­тате направление момента остается прежним, и якорь будет вращаться в том же направлении. В этом случае коллектор выполняет роль ин­вертора – преобразователя постоянного тока в переменный.

Слайд 33

Асинхронный электродвигатель

8 марта 1889 года величайший русский учёный и инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Слайд 34

Современные трёхфазные асинхронные двигатели являются преобразователями электрической энергии в механическую. Благодаря своей простоте, низкой стоимости и высокой надёжности асинхронные двигатели получили широкое применение. Они присутствуют повсюду, это самый распространённый тип двигателей, их выпускается 90% от общего числа двигателей в мире. Асинхронный электродвигатель поистине совершил технический переворот во всей мировой промышленности. Огромная популярность асинхронных двигателей связана с простотой их эксплуатации, дешивизной и надежностью.

Слайд 35

Асинхронный двигатель — это асинхронная машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Слайд 36

Устройство

На рисунке: 1 — вал, 2,6 — подшипники, 3,8 — подшипниковые щиты, 4 — лапы, 5 — кожух вентилятора, 7 — крыльчатка вентилятора, 9 — короткозамкнутый ротор, 10 — статор, 11 — коробка выводов. Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Слайд 37

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Слайд 38

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор. Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется «беличьей клеткой». В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Слайд 39

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов. Подробнее о фазном роторе можно прочитать в статье — асинхронный двигатель с фазным ротором.

Слайд 40

Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся. Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Слайд 41

Скольжение s — это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n1 магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n2, в процентном соотношении. Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n2 ротора относительная разность частот n1-n2 становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины sкр — критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме — 1 — 8 %.

Слайд 42

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся. Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

Слайд 43

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

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.

в.1.1. Устройство дросселя

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).

Схематическое устройство трансформатора

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 пото- косцепления 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).

Устройство индукционного датчика перемещений

Рис. 6.1.3. Устройство индукционного датчика перемещений

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

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

Схематическое устройство генератора постоянного тока

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 4У 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 магнитопро- вод — 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.

Схематическое устройство электромагнитного реле

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

К упражнению 6.1.1. Источники магнитного ноля с током !*

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, 1аЬ = 1 м.

К упражнению 6.1.2

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

К упражнению 6.1.3

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, 1аЬ = 1 м.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *